特開 2022-66298 発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022066298

(43)【公開日】2022-04-28

(54)【発明の名称】発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/02255 20210101AFI20220421BHJP

【ＦＩ】

H01S5/02255

【審査請求】有

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022030566

(22)【出願日】2022-03-01

(62)【分割の表示】P 2020092491の分割

【原出願日】2017-08-16

(71)【出願人】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(72)【発明者】

【氏名】三浦 創一郎

(57)【要約】

【課題】 蛍光部の変換効率の低下を抑制しながら、色むらや発光むらを低減した発光装置とすることができる。
【解決手段】 一形態に係る発光装置は、半導体レーザ素子１０と、光反射面２１が設けられた光反射部２０と、光照射面を有する蛍光部３０と、を備える。光反射面２１における放射光が照射される領域は、第１領域２１ａと、第２領域２１ｂと、を有し、第１領域２１ａ及び第２領域２１ｂは、蛍光部３０の光照射面において、第１領域２１ａで反射された放射光のうちの第２領域２１ｂに近い側で反射された放射光と、第２領域２１ｂで反射された放射光のうちの第１領域２１ａから遠い側で反射された放射光と、が重なるとともに、第１領域２１ａで反射された放射光のうちの第２領域２１ｂから遠い側で反射された放射光と、第２領域２１ｂで反射された放射光のうちの第１領域２１ａに近い側で反射された放射光と、が重なるように設けられている。
【選択図】 図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

放射光が楕円形状のファーフィールドパターンを有する第１半導体レーザ素子と、
前記放射光を反射する光反射面が設けられた第１光反射部と、
前記光反射面で反射された放射光が照射される光照射面を有し、前記光照射面に前記放射光が照射されることにより蛍光を発する蛍光部と、を備え、
前記光反射面における前記放射光が照射される領域は、前記楕円形状のファーフィールドパターンを長手方向に２以上に分けた領域のうち、一端に位置する領域に対応する第１領域と、他端に位置する領域に対応する第２領域と、を有し、
前記第１領域及び前記第２領域は、前記蛍光部の光照射面において、前記第１領域の一端で反射された放射光と、前記光反射面における前記他端以外の位置で反射された放射光と、が重なるとともに、前記第２領域の他端で反射された放射光と、前記光反射面における前記一端以外の位置で反射された放射光と、が重なるように設けられていることを特徴とする発光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に記載の発光装置は、半導体レーザ素子と、全反射膜が形成されたミラー部材と、ミラー部材の上方に配置された蛍光部と、を備える。半導体レーザ素子からの放射光はミラー部材に設けられた全反射鏡で蛍光部に反射されている（例えば、特許文献１の図３参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－２５１６８６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような発光装置では、蛍光部の光照射面に照射される放射光の光強度が、中心部においてその周囲よりも高くなる。この場合は、放射光の中心部が照射された蛍光部の発熱量が大きくなることにより、蛍光部の変換効率が低下するおそれがある。また、蛍光部から取り出される光の発光強度むらや色むらが生じるおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一形態に係る発光装置は、放射光が楕円形状のファーフィールドパターンを有する半導体レーザ素子と、前記放射光を反射する光反射面が設けられた光反射部と、前記光反射面で反射された放射光が照射される光照射面を有し、前記光照射面に前記放射光が照射されることにより蛍光を発する蛍光部と、を備える。この発光装置において、前記光反射面における前記放射光が照射される領域は、前記楕円形状のファーフィールドパターンを長手方向に２以上に分けた領域のうち、一端に位置する領域に対応する第１領域と、他端に位置する領域に対応する第２領域と、を有し、前記第１領域及び前記第２領域は、前記蛍光部の光照射面において、前記第１領域で反射された放射光のうちの前記第２領域に近い側で反射された放射光と、前記第２領域で反射された放射光のうちの前記第１領域から遠い側で反射された放射光と、が重なるとともに、前記第１領域で反射された放射光のうちの前記第２領域から遠い側で反射された放射光と、前記第２領域で反射された放射光のうちの前記第１領域に近い側で反射された放射光と、が重なるように設けられている。

【0006】

本発明の他の形態に係る発光装置は、放射光が楕円形状のファーフィールドパターンを有する半導体レーザ素子と、前記放射光を反射する光反射面が設けられた光反射部と、前記光反射面で反射された放射光が照射される光照射面を有し、前記光照射面に前記放射光が照射されることにより蛍光を発する蛍光部と、を備える。この発光装置において、前記光反射面における前記放射光が照射される領域は、前記楕円形状のファーフィールドパターンを長手方向に３に分けた領域として、一端に位置する領域に対応する第１領域と、他端に位置する領域に対応する第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との間に位置する第３領域と、を有し、前記第１領域は、前記蛍光部の光照射面において、前記第１領域で反射された放射光が、前記第３領域で反射された放射光のうちの前記第１領域又は前記第２領域の一方に近い側で反射された放射光と重なるように設けられており、前記第２領域は、前記蛍光部の光照射面において、前記第２領域で反射された放射光が、前記第３領域で反射された放射光のうちの前記第１領域又は前記第２領域の他方に近い側で反射された放射光と重なるように設けられている。

【0007】

本発明の他の形態に係る発光装置は、放射光が楕円形状のファーフィールドパターンを有する半導体レーザ素子と、前記放射光を反射する光反射面が設けられた光反射部と、前記光反射面で反射された放射光が照射される光照射面を有し、前記光照射面に前記放射光が照射されることにより蛍光を発する蛍光部と、を備える。この発光装置において、前記光反射面は、曲面であり、前記光照射面における放射光の強度分布が均一に近づくように、前記楕円形状のファーフィールドパターンの長手方向の両端に位置する領域に対応する領域で反射される放射光の発散角が前記長手方向の中央に位置する領域に対応する領域で反射される放射光の発散角よりも小さくなるように設けられている。

【発明の効果】

【0008】

各形態に係る発光装置によれば、蛍光部の変換効率の低下を低減するとともに、蛍光部から取り出される光の色むらや発光むらを低減した発光装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１実施形態に係る発光装置の斜視図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る発光装置の上面図である。

【図3】図３は、図２のIII－IIIにおける断面図である。

【図4】図４は、第１実施形態に係る発光装置に含まれる光学素子の斜視図である。

【図5】図５は、第１実施形態に係る発光装置において、半導体レーザ素子から放射された放射光が光反射面で反射されて蛍光部の光照射面に照射されるまでの放射光の動きを説明するための図である。

【図6】図６は、従来の光反射面で反射された放射光の光強度分布をシミュレーションして測定した図である。

【図7】図７は、図６のVII－VIIを結ぶ直線における光強度分布を示す図である。

【図8】図８は、第１実施形態に係る発光装置における基体の凹部の内部を説明するための斜視図である。

【図9】図９は、第１実施形態に係る発光装置における基体の凹部の内部を説明するための上面図である。

【図10】図１０は、第１実施形態に係る発光装置において、蛍光部の光照射面における放射光の光強度分布をシミュレーションして測定した図である。

【図11】図１１は、図１０のXI－XIを結ぶ直線における光強度分布を示す図である。

【図12】図１２は、第１実施形態に係る発光装置において、蛍光部の光照射面における第１領域で反射された放射光の光強度分布をシミュレーションして測定した図である。

【図13】図１３は、図１２のXIII-XIIIを結ぶ直線における光強度分布を示す図である。

【図14】図１４は、第１実施形態に係る発光装置において、蛍光部の光照射面における第２領域で反射された放射光の光強度分布をシミュレーションして測定した図である。

【図15】図１５は、図１４のXV-XVを結ぶ直線における光強度分布を示す図である。

【図16】図１６は、第１実施形態に係る発光装置において、蛍光部の光照射面における第３領域で反射された放射光の光強度分布をシミュレーションして測定した図である。

【図17】図１７は、図１６のXVII-XVIIを結ぶ直線における光強度分布を示す図である。

【図18】図１８は、第２実施形態に係る発光装置を説明するための断面図である。

【図19】図１９は、第３実施形態に係る発光装置における基体の凹部の内部を説明するための斜視図である。

【図20】図２０は、第３実施形態に係る発光装置における基体の凹部の内部を説明するための上面図である。

【図21】図２１は、第３実施形態に係る発光装置における蛍光部の光照射面における放射光の光強度分布をシミュレーションして測定した図である。

【図22】図２２は、第４実施形態に係る発光装置において、半導体レーザ素子から放射される放射光が光反射面で反射されて蛍光部の光照射面に照射されるまでの放射光の動きを説明するための図である。

【図23】図２３は、第５実施形態に係る発光装置において、半導体レーザ素子から放射される放射光が光反射面で反射されて蛍光部の光照射面に照射されるまでの放射光の動きを説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら以下に説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。

【0011】

＜第１実施形態＞
図１に第１実施形態に係る発光装置２００の斜視図を示し、図２に発光装置２００の上面図を示し、図３に図２のIII－IIIにおける断面図を示す。また、図４は発光装置２００における光反射部２０である光学素子２０の斜視図である。さらに、図５は発光装置２００において、半導体レーザ素子１０から放射された放射光が光反射面２１で反射されて蛍光部３０の光照射面に照射されるまでの放射光の動きを説明するための図である。

【0012】

図１～図５に示すように、発光装置２００は、放射光が楕円形状のファーフィールドパターン（以下、「ＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）」という。）を有する半導体レーザ素子１０と、放射光を反射する光反射面２１が設けられた光反射部２０と、光反射面２１で反射された放射光が照射される光照射面を有し、光照射面に放射光が照射されることにより蛍光を発する蛍光部３０と、を備える。発光装置２００において、光反射面２１における放射光が照射される領域は、楕円形状のＦＦＰを長手方向に２以上に分けた領域のうち、一端に位置する領域に対応する第１領域２１ａと、他端に位置する領域に対応する第２領域２１ｂと、を有する。また、第１領域２１ａ及び第２領域２１ｂは、蛍光部３０の光照射面において、第１領域２１ａで反射された放射光のうちの第２領域２１ｂに近い側で反射された放射光と、第２領域２１ｂで反射された放射光のうちの第１領域２１ａから遠い側で反射された放射光と、が重なるとともに、第１領域２１ａで反射された放射光のうちの第２領域２１ｂから遠い側で反射された放射光と、第２領域２１ｂで反射された放射光のうちの第１領域２１ａに近い側で反射された放射光と、が重なるように設けられている。

【0013】

発光装置２００によれば、蛍光部３０の変換効率の低下を低減しながら、蛍光部３０から取り出される光の発光強度むらや色むらを低減することができる。以下、この点について説明する。

【0014】

半導体レーザ素子１０（以下、「ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）素子１０」という。）の放射光は、ＬＤ素子１０の光出射面と平行な面において、活性層を含む複数の半導体層の積層方向の長さがそれに垂直な方向の長さよりも長い、楕円形状のＦＦＰを有する。ここでいうＦＦＰとは、ＬＤ素子１０の光出射面とからある程度離れており且つ光出射面と平行な面において放射光の光強度分布を測定したものであり、例えば、ピーク強度値から１／ｅ^２等の任意の強度に落ちたときの強度における形状として特定される。このとき、放射光は、楕円形における中心部の強度が楕円形における中心部から遠い部分の強度よりも高い。従来の発光装置は、例えば、ＬＤ素子から放射された放射光を４５度傾斜させた光反射面で反射させて蛍光部の光照射面に照射している。この場合、ＦＦＰの光強度分布が維持されたまま蛍光部の光照射面に照射される。このことは、図６及び図７に示す、従来の発光装置における光照射面の光強度分布をシミュレーションして測定した結果からも明らかである。図７は、図６のVII－VIIを結ぶ直線における光強度分布を示す図であるが、中心部における光強度が端部における光強度よりも明らかに高くなっている。この光が蛍光部に照射されると、光強度の高い領域における蛍光部の発熱量が周囲の発熱量に比べて多くなることにより、蛍光部の変換効率の低下が生じる。また、蛍光部に照射される放射光の強度の違いに起因して、発光強度むらや色むらのある発光装置となる可能性がある。

【0015】

そこで発光装置２００では、光反射面２１で反射された放射光が、蛍光部３０の光照射面において均一な光強度分布に近づくように、光反射面２１における放射光が照射される領域に第１領域２１ａと第２領域２１ｂとを設けている。このとき、図５に示すように、第１領域２１ａ及び第２領域２１ｂは、第１領域２１ａで反射された放射光のうちの発光強度の低い放射光（図５に示す第１領域２１ａの左端近傍で反射された放射光）と、第２領域２１ｂで反射された放射光のうちの発光強度の高い放射光（図５に示す第２領域２１ｂの左端近傍で反射された放射光）と、が重なるとともに、第１領域２１ａで反射された放射光のうちの発光強度の高い放射光（図５に示す第１領域２１ａの右端近傍で反射された放射光）と、第２領域２１ｂで反射された放射光のうちの発光強度の低い放射光（図５に示す第２領域２１ｂの右端近傍で反射された放射光）と、が重なるように設けられている。これにより、蛍光部３０の光照射面に照射される放射光の光強度分布を均一に近づけることができるため、蛍光部３０の変換効率の低下を低減しながら、発光強度のむらや色むらを低減した発光装置とすることができる。

【0016】

以下、発光装置２００の構成要素について説明する。

【0017】

（基体４０）
基体４０は、ＬＤ素子１０を実装するものである。図３では、凹部が設けられた基体４０を用い、凹部の底面にＬＤ素子１０が配置されている。

【0018】

基体４０には、セラミックスを含むものを用いることができる。セラミックスとしては、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、又は炭化ケイ素が挙げられる。基体４０と蓋体８０とを溶接により固定する場合は、蓋体８０と接する部分（溶接部４３）を、主成分として鉄を含む材料で構成する。

【0019】

図８及び図９に示すように、凹部が設けられた基体４０は、絶縁体からなる本体部４１と、基体４０の上面及び凹部の底面において本体部４１から露出した配線部４２ａ、４２ｂと、蓋体８０と接する溶接部４３と、を有する。外部と電気的に接続する配線部４２ａを本体部４１の下面以外の面から露出させることにより、基体４０の下面の全面をヒートシンク等の他の部材に実装する面とすることができるため、発光装置２００で生じる熱をヒートシンクに発散させやすくなる。

【0020】

なお、基体としては、基部と基部の上面に配置された枠部とを備えるものを用いてもよい。この場合は、基部の上面で且つ枠部の内側にＬＤ素子が配置される。このとき配線部は、発光装置の放熱性を考慮して、枠部の外側において基部の上面に設けられることが好ましい。

【0021】

（半導体レーザ素子１０）
ＬＤ素子１０は、その放射光が楕円形状のＦＦＰを有する。ＬＤ素子１０は、その光出射面が基体４０の下面と垂直であり、ＦＦＰの楕円形の長手方向が基体４０の下面と垂直になるように配置されている。これにより、ＬＤ素子１０における面積の大きな面を基体４０の下面と平行に配置することができるため、ＬＤ素子１０で生じる熱を基体４０やヒートシンクに発散しやすくなる。なお、ここでいう「垂直」には、実装時のずれ程度による傾きは含まれることとする。

【0022】

ＬＤ素子１０としては、発光ピーク波長が、３２０ｎｍ～５３０ｎｍの範囲、典型的には、４３０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲にあるものを用いることができる。前述の範囲のＬＤ素子１０は、比較的高エネルギーの放射光であるため、蛍光部３０の変換効率の低下が生じやすく、本実施形態の光反射面２１等を採用することによる効果が顕著となるためである。前述の範囲のＬＤ素子１０としては、例えば、窒化物半導体を含む材料を用いることが好ましく、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＧａＮの少なくとも１つを含むものが挙げられる。

【0023】

ＬＤ素子１０は、サブマウント５０を介して基体４０に実装されている。これにより、ＬＤ素子１０の光出射面における発光点から基体４０におけるＬＤ素子１０の実装面（発光装置２００では凹部の底面）までの距離をサブマウント５０の厚み分だけ大きくすることができるため、ＬＤ素子の放射光を効率よく光反射面２１に照射することができる。ＬＤ素子１０は、Ａｕ－Ｓｎ等の導電層６０を用いてサブマウント５０に固定することができる。

【0024】

サブマウント５０としては、基体４０の熱膨張率とＬＤ素子１０の熱膨張率との間の熱膨張率を有するものを用いることが好ましい。これにより、ＬＤ素子１０の剥がれや、サブマウント５０の剥がれを抑制することができる。ＬＤ素子１０として窒化物半導体を含む材料を用いる場合は、サブマウント５０として、例えば、窒化アルミニウム、又は炭化ケイ素を用いる。

【0025】

図８及び図９に示すように、ＬＤ素子１０は、ワイヤ（金属細線）７０により、基体４０の配線部４２ｂと電気的に接続されている。

【0026】

（光反射部２０）
光反射部２０は、ＬＤ素子１０からの放射光を蛍光部３０に向けて反射させるものである。発光装置２００のように、ＬＤ素子１０からの放射光を光反射部２０で反射させることにより、透過型のレンズを用いる場合に比較して、発光装置２００の厚み（図３の上下方向における長さ）を小さくしながら、蛍光部３０の光照射面に照射される放射光の強度を均等に近づけることができる。

【0027】

図３においては、光反射部２０として、少なくとも一面に光反射面２１を有する光学素子２０を用いる。基体４０と光学素子２０とを別体とすることにより、基体の一部が光反射面として機能する場合に比較して、基体４０を単純な構成とすることができる。なお、基体の一部が光反射面として機能するように基体を構成することもできる。この場合は、光学素子を配置するためのコレットが移動する領域を考慮する必要がないため、基体の凹部の幅を小さくすることができる。

【0028】

本明細書において、光学素子２０の上面と下面とを除く面はすべて側面とする。発光装置２００では、図３及び図４に示すように、光学素子２０の４つの側面のうちのＬＤ素子１０に近い側の１つの側面が光反射面２１となっている。ＬＤ素子１０に近い側の側面を光反射面２１とすることにより、ＬＤ素子１０から遠い側の側面を光反射面とする場合に比較して、放射光が通過する界面の数を減らせるため、光学素子での光の吸収を抑えることができる。

【0029】

光学素子２０としては、主材が石英若しくはＢＫ７等のガラス、又はアルミニウム等の金属等の熱に強い材料からなり、光反射面２１が金属等の反射率の高い材料からなるものを用いることができる。

【0030】

発光装置２００では、光反射面２１は、光照射面に照射される楕円形状の長手方向における光強度分布のみが均等に近付くように設けられている。つまり、短手方向における光強度分布を変えずに、長手方向における光強度分布のみが均等に近づくような光反射面２１を設けている。これは、ＬＤ素子１０のＦＦＰは特に長手方向において広がりやすいためである。なお、短手方向における光強度分布も均等に近づくような光反射面とすることもできるが、光学素子の光反射面の精度やＬＤ素子との位置合わせを考慮すると、光反射面２１は、光照射面における楕円形状の長手方向の光強度分布のみが均等に近づくように設けられることが好ましい。

【0031】

図４に示すように、光反射面２１における放射光が照射される領域（一点鎖線で囲まれている領域）は、ＬＤ素子１０の楕円形状のＦＦＰを長手方向に２以上に分けた領域のうち、一端に位置する領域に対応する第１領域２１ａと、他端に位置する領域に対応する第２領域２１ｂと、を有する。そして、図４に示すように、第１領域２１ａ及び第２領域２１ｂは、第１領域２１ａで反射された放射光のうちの第２領域２１ｂに近い側で反射された放射光と、第２領域２１ｂで反射された放射光のうちの第１領域２１ａから遠い側で反射された放射光と、が重なるとともに、第１領域２１ａで反射された放射光のうちの第２領域２１ｂから遠い側で反射された放射光と、第２領域２１ｂで反射された放射光のうちの第１領域２１ａに近い側で反射された放射光と、が重なるように設けられている。

【0032】

ここでは、第１領域２１ａ及び第２領域２１ｂはそれぞれ、蛍光部３０の光照射面において、第１領域２１ａで反射された放射光の光強度分布と第２領域２１ｂで反射された放射光の光強度分布とが、長手方向に対応する方向に対して線対称となるように設けられる。つまり、光照射面において、第１領域２１ａと第２領域２１ｂとが同じ幅で重なるように設けられる。これにより、光照射面における光強度分布を均一に近づけやすくなる。

【0033】

例えば、図５に示すように、第２領域２１ｂよりもＬＤ素子１０に近い側に位置する第１領域２１ａの面積を、第２領域２１ｂの面積よりも小さくする。ＬＤ素子１０に近い側に位置する第１領域２１ａは蛍光部３０の光照射面までの距離が長くなり放射光が広がりやすくなるため、第１領域２１ａと第２領域２１ｂとを同じ幅で重ねやすくなる。

【0034】

発光装置２００では、光反射面２１における放射光が照射される領域は、第１領域２１ａと第２領域２１ｂとの間に位置する第３領域２１ｃを有する。図５に示すように、第３領域２１ｃは、蛍光部３０の光照射面において、第３領域２１ｃで反射された放射光のうちの第１領域２１ａに近い側で反射された放射光と、第１領域２１ａで反射された放射光のうちの第２領域２１ｂから遠い側で反射された放射光と、が重なるとともに、第３領域２１ｃで反射された放射光のうちの第２領域２１ｂに近い側で反射された放射光と、第２領域２１ｂで反射された放射光のうちの第１領域２１ａから遠い側で反射された放射光と、が重なるように設けられている。つまり、第３領域２１ｃで反射された放射光のうちの発光強度が低い光（図５の第３領域２１ｃにおける左端近傍及び右端近傍で反射された光）と、第１領域２１ａ及び第２領域２１ｂで反射された放射光のうちの発光強度が高い光（図５の第１領域２１ａにおける右端近傍で反射された光及び第２領域２１ｂにおける左端近傍で反射された光）と、を重ねることができる。光反射面２１が第３領域２１ｃを有する場合は、第１領域２１ａ及び第２領域２１ｂのみからなる場合に比較して、光反射面２１で反射される光の広がりを抑えることができるため、光反射面２１から蛍光部３０の光照射面までの距離を大きくしても蛍光部３０の光照射面における長手方向を長くする必要がなくなる。なお、光反射面２１における放射光が照射される領域は、４つ以上の領域を備えていてもよい。

【0035】

第１領域２１ａ、第２領域２１ｂ、及び第３領域２１ｃは、ＦＦＰの長手方向において、第１領域２１ａ及び第２領域２１ｂで反射された放射光の発散角は、第３領域２１ｃで反射された放射光の発散角よりも小さくなるように設けられている。つまり、楕円形状のＦＦＰの長手方向において、第３領域２１ｃの発光強度の高い光が外側に広がり、第１領域２１ａ及び第２領域２１ｂの第３領域２１ｃから遠い側における光は広がりを抑えるように光反射面２１が設けられている。これにより、光照射面に照射される放射光の広がりを抑えながら光強度分布を均一に近づけることができる。

【0036】

図４に示すように、第１領域２１ａ、第２領域２１ｂ、及び第３領域２１ｃは、いずれも平面である。つまり、光反射面２１は３つの平面で構成されている。これにより、光学素子２０の設計が容易となる。なお、第１領域、第２領域、及び第３領域は、それぞれ曲面であってもよい。

【0037】

図１０に発光装置２００の蛍光部３０の光照射面における放射光の光強度分布をシミュレーションして測定した図を示し、図１１に図１０のXI－XIを結ぶ直線における光強度分布を表す図を示す。図１２に蛍光部３０の光照射面における第１領域２１ａで反射された放射光の光強度分布をシミュレーションして測定した図を示し、図１３に図１２のXIII－XIIIを結ぶ直線における光強度分布を表す図を示す。図１４に蛍光部３０の光照射面における第２領域２１ｂで反射された放射光の光強度分布をシミュレーションして測定した図を示し、図１５に図１４のXV－XVを結ぶ直線における光強度分布を表す図を示す。図１６に蛍光部３０の光照射面における第３領域２１ｃで反射された放射光の光強度分布をシミュレーションして測定した図を示し、図１７に図１６のXVII－XVIIを結ぶ直線における光強度分布を表す図を示す。以下、図５を参照しながらシミュレーションの条件を説明する。光学素子２０の下面及びＬＤ素子１０の下面と平行な方向におけるＬＤ素子１０の発光点から光反射面２１の光反射面（正確には光反射点）までの距離を０．４５ｍｍとし、光学素子２０の下面と垂直な方向における光反射面２１の光反射点から蛍光部３０の光照射面までの距離を２．１０ｍｍとした。このとき、光反射点と蛍光部３０との間には、厚みが０．５ｍｍの透光部８２と、厚みが０．４３ｍｍの放熱体１００と、が配置されている。蛍光部３０の光照射面の長手方向の幅（発光点から光反射点までの直進方向と平行な方向における長さ）は１ｍｍとし、短手方向は０．５ｍｍとした。さらに、光学素子２０の下面と第１領域２１ａとがなす角度を３１．５度、光学素子２０の下面と第２領域２１ｂとがなす角度を６０度、光学素子２０の下面と第３領域２１ｃとがなす角度を４５度とした。このとき、第１領域の長さＬ１を０．１４ｍｍ、第２領域２１ｂの長さＬ２を０．３６ｍｍ、第３領域２１ｃの長さＬ３を０．２７ｍｍとした。図１１に示すように、発光装置２００によれば、蛍光部３０の光照射面における放射光の光強度分布を均一に近づけることができる。

【0038】

（蓋体８０）
蓋体８０は、基体４０と組み合わせてＬＤ素子１０が配置される空間を気密封止された空間としている。これにより、ＬＤ素子１０の光出射面への有機物等の集塵を抑制することができる。蓋体８０は、支持部８１と、透光部８２と、支持部８１及び透光部８２を接合する接合材８３と、を有する。光反射面２１で反射された光は透光部８２を通過して蛍光部３０の光照射面に照射される。

【0039】

発光装置２００では、ＬＤ素子１０として窒化物半導体を含む材料を用いているため、蓋体８０の支持部８１と基体４０とを溶接により固定している。この場合は、支持部８１として鉄を主成分として含む材料を用いることができる。また、発光装置２００では、基体４０と蓋体８０とにより気密封止された１つの空間に、ＬＤ素子１０と光学素子２０とを配置している。これにより、ＬＤ素子が搭載されたＬＤ装置と、ＬＤ装置の外部に配置された光学素子とを含む発光装置と比べて、発光装置２００が大きくなることを抑制することができる。透光部８２としては、例えばガラス、サファイアを用い、接合材８３としては、例えば低融点ガラス、金錫半田を用いる。

【0040】

（蛍光部３０）
蛍光部３０は、光反射面２１で反射された放射光が照射される光照射面を有し、光照射面に放射光が照射されることにより蛍光を発する。図３において、蛍光部３０の下面が光照射面であり、蛍光部３０の上面が光取出面である。図３に示すように、蛍光部３０は、蓋体８０における透光部８２の上方に配置されている。

【0041】

蛍光部３０は、蛍光体を含む。蛍光体としては、ＹＡＧ蛍光体、ＬＡＧ蛍光体、αサイアロン蛍光体等が挙げられる。なかでも、耐熱性の高いＹＡＧ蛍光体を用いることが好ましい。蛍光部３０は、無機材料からなることが好ましい。これにより、有機材料を含む場合に比較して、熱や光に強いので、信頼性を向上させることができる。無機材料からなる蛍光部３０としては、蛍光体セラミックスや蛍光体の単結晶を用いることができる。蛍光体セラミックスとしては蛍光体の粒子と添加材との焼結体を用いることができる。ＹＡＧ蛍光体の蛍光体セラミックスを用いる場合は、添加材として酸化アルミニウムを用いることができる。

【0042】

図２及び図３に示すように、蛍光部３０の光照射面は、一方向に長い形状であることが好ましい。例えば、楕円形や長方形とすることができ、蛍光部３０の量産性の観点から、長方形とすることが好ましい。このとき、光反射面２１で反射された放射光は蛍光部３０の光照射面において一方向に長い形状で照射され、蛍光部３０及び半導体レーザ素子１０は、蛍光部３０の長手方向と放射光の長手方向とが平行になるように配置されていることが好ましい。これにより、蛍光部３０の光照射面において放射光が当たる領域から光照射面の外縁までの距離が小さくなるため、蛍光部３０で生じる熱を発散させやすくなる。したがって、蛍光部３０の変換効率の低下を低減しやくなる。

【0043】

（第１遮光部９０）
第１遮光部９０は、蛍光部３０の上面以外の領域から光が出ることを低減するためのものであり、図３に示すように、蛍光部３０の側方に配置されている。第１遮光部９０は蛍光部３０と直接接して設けられている。蛍光部３０がＹＡＧ蛍光体を含む場合は、第１遮光部９０として、酸化アルミニウムを主成分として含むセラミックスを用いることが好ましい。これにより、蛍光部３０と第１遮光部９０との接合力を高くしながら、蛍光部３０からの光を遮光することができる。第１遮光部９０に用いられる酸化アルミニウムは、後述する放熱体１００に用いることができるサファイアと同じ材料であるが、第１遮光部９０のうちの蛍光部３０に近い領域は焼結密度が低いため、その領域には空隙が存在する。同じ材料であっても、蛍光部３０からの光は酸化アルミニウム等の粒子と空隙との界面で反射されるため、第１遮光部９０は光を透過しにくくなっている。

【0044】

（放熱体１００）
図３に示すように、蛍光部３０及び第１遮光部９０は放熱体１００を介して蓋体８０に固定されている。放熱体１００の上面と、蛍光部３０の光照射面及び第１遮光部９０の下面と、は直接接することが好ましい。これにより、蛍光部３０における放射光が当たることにより発熱しやすい領域と放熱体１００とを直接接触させることができるため、蛍光部３０で生じる熱を発散しやすくなる。放熱体１００としては透光性の部材を用いることができ、例えば、サファイア、石英又は炭化ケイ素を用いることができる。なお、第１遮光部９０と放熱体１００とを、耐熱性のある金属材料等により固定することにより、光反射面の上方に蛍光部３０を配置してもよい。

【0045】

（第２遮光部１１０）
放熱体１００の側面には第２遮光部１１０が設けられている。これにより、放熱体１００の側方から光が抜けることを抑制することができる。第２遮光部１１０としては、例えば、酸化チタン等の散乱粒子を含む樹脂を用いる。

【0046】

＜第２実施形態＞
図１８に第２実施形態に係る発光装置３００の断面図を示す。発光装置３００は、次に説明する事項以外は、発光装置２００で説明した事項と実質的に同一である。

【0047】

発光装置３００は、光学素子２０の光反射面が、ＬＤ素子１０から遠い側の側面に設けられている。つまり、放射光は、光学素子２０におけるＬＤ素子１０に近い側の側面から光学素子２０の内部に入射し、光反射面２１で反射されて、光学素子２０の上面から取り出される。この場合であっても、蛍光部３０の光照射面において照射される放射光の光強度を均一に近づけることができる。このとき、光学素子２０として、主材が石英若しくはＢＫ７等のガラスからなり、光反射面が金属等の反射率の高い材料からなるものを用いる。

【0048】

＜第３実施形態＞
図１９に第３実施形態に係る発光装置４００における基体４０の凹部の内部を説明するめの斜視図を示し、図２０に図１９の上面図を示す。発光装置４００は、次に説明する事項以外は、発光装置２００で説明した事項と実質的に同一である。

【0049】

発光装置４００は、２つのＬＤ素子１０と２つの光学素子２０とを含む。そして、光学素子２０は、各ＬＤ素子１０から放射された放射光が、各光学素子２０が有する光反射面２１で反射され、１つの蛍光部３０の光照射面に照射されるように配置されている。具体的には、２つのＬＤ素子１０は、それぞれの光出射面が平行になるように配置されており、２つの光学素子２０は、向かい合う側面が平行になるように配置されている。そして、光学素子２０の側面に平行な面とＬＤ素子１０の光出射面に平行な面とが垂直以外の角度で交差するように配置されている。

【0050】

図２１に、発光装置４００における、蛍光部３０の光照射面に照射される放射光における光強度分布をシミュレーションして測定した図を示す。図２１に示すように、複数のＬＤ素子１０を用いることにより蛍光部３０の光照射面に照射される放射光の強度を高くすることができる。

【0051】

なお、本実施形態においても、基体の凹部の向かい合う２つの側面をそれぞれ光反射面とし、２つの光反射面のそれぞれにＬＤ素子からの放射光が照射されるようにしてもよい。また、２つの光学素子として、第２実施形態に用いた光学素子を用いることもできる。

【0052】

＜第４実施形態＞
図２２は、第４実施形態に係る発光装置５００において、半導体レーザ素子１０から放射された放射光が光反射面２１で反射されて蛍光部３０の光照射面に照射されるまでの放射光の動きを説明するための図である。発光装置５００は、次に説明する事項以外は、発光装置２００で説明した事項と実質的に同一である。

【0053】

図２２に示すように、発光装置５００において、光反射面２１における放射光が照射される領域は、楕円形上のＦＦＰを長手方向に３に分けた領域のうち、一端に位置する領域に対応する第１領域２１ａと、他端に位置する領域に対応する第２領域２１ｂと、第１領域２１ａと第２領域２１ｂとの間に位置する第３領域２１ｃと、を有する。このとき、第１領域２１ａは、蛍光部３０の光照射面において、第１領域２１ａで反射された放射光が、第３領域２１ｃで反射された放射光のうちの第１領域２１ａ又は第２領域２１ｂの一方に近い側で反射された放射光と重なるように設けられている。また、第２領域２１ｂは、蛍光部３０の光照射面において、第２領域２１ｂで反射された放射光が第３領域２１ｃで反射された放射光のうちの第１領域２１ａ又は第２領域２１ｂの他方に近い側で反射された放射光と重なるように設けられている。つまり、第３領域２１ｃで反射された放射光のうちの発光強度が低い領域に、第１領域２１ａで反射された放射光の一部及び第２領域２１ｂで反射された放射光の一部のそれぞれが重なるように、第１領域２１ａ及び第２領域２１ｂは設けられている。

【0054】

図２２に示すように、発光装置５００では、第１領域２１ａは、蛍光部３０の光照射面において、第１領域２１ａで反射された放射光が、第３領域２１ｃで反射された放射光のうちの第２領域２１ｂに近い側で反射された放射光と重なるように設けられている。また、第２領域２１ｂは、蛍光部３０の光照射面において、第２領域２１ｂで反射された放射光が、第３領域２１ｃで反射された放射光のうちの第１領域２１ａに近い側で反射された放射光と重なるように設けられている。つまり、第１領域２１ａで反射された放射光と第２領域２１ｂで反射された放射光とが交差してから蛍光部３０の光照射面に照射されるように、第１領域２１ａ及び第２領域２１ｂは設けられている。これにより、第１領域２１ａで反射される光のうちの発光強度の低い光（図２２における第１領域２１ａの左端近傍で反射される光）と第３領域２１ｃで反射される光のうちの発光強度の低い光（図２２における第３領域２１ｃの右端近傍で反射される光）とを重ねることができるとともに、第２領域２１ｂで反射される光のうちの発光強度の低い光（図２２における第２領域２１ｂの右端近傍で反射される光）と第３領域２１ｃで反射される光のうちの発光強度の低い光（図２２における第３領域２１ｃの左端近傍で反射される光）とを重ねることができる。したがって、蛍光部３０の光照射面における放射光の光強度を均一に近づけやすい。

【0055】

なお、発光装置５００において、第１領域で反射された放射光と第２領域で反射されえた放射光とが、交差しないようにしてもよい。言い換えると、光反射面は、第３領域で反射された光のうちの第１領域に近い側で反射された光と第１領域で反射された光のうちの第３領域に近い側で反射された光とを重ねるとともに、第３領域で反射された光のうちの第２領域に近い側で反射された光と第２領域で反射された光のうちの第３領域に近い側で反射された放射光とを重ねるように設けられていてもよい。この場合であっても、第３領域で反射された放射光のうちの発光強度の低い光と第１領域で反射された光及び第２領域で反射された光とを重ねることができるため、一定の効果を得ることはできる。

【0056】

＜第５実施形態＞
図２３は、第５実施形態に係る発光装置６００において、半導体レーザ素子１０から放射された放射光が光反射面２１で反射されて蛍光部３０の光照射面に照射されるまでの放射光の動きを説明するための図である。発光装置６００は、次に説明する事項以外は、発光装置２００で説明した事項と実質的に同一である。

【0057】

発光装置６００において、光学素子２０の光反射面２１は曲面である。このとき光反射面２１は、蛍光部３０の光照射面における放射光の強度分布が均一に近づくように、楕円形状のＦＦＰの長手方向の両端に位置する領域に対応する領域で反射される放射光の発散角が長手方向の中央に位置する領域に対応する領域で反射される発散角よりも小さくなるように設けられている。つまり、楕円形状のＦＦＰの長手方向において、中心近傍における光は外側に広がり、両端部近傍における光は広がりを抑えるように光反射面２１が設けられている。この場合であっても、光照射面における放射光の光強度分布を均一に近づけることができる。

【産業上の利用可能性】

【0058】

各実施形態に記載の発光装置は、照明、車両用灯具等に使用することができる。

【符号の説明】

【0059】

１０…半導体レーザ素子
２０…光反射部
２１…光反射面
２１ａ…第１領域
２１ｂ…第２領域
２１ｃ…第３領域
３０…蛍光部
４０…基体
４１…本体部
４２ａ、４２ｂ…配線部
４３…溶接部
５０…サブマウント
６０…導電層
７０…ワイヤ
８０…蓋体
８１…支持部
８２…透光部
８３…接合材
９０…第１遮光部
１００…放熱体
１１０…第２遮光部
２００、３００、４００、５００、６００…発光装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【手続補正書】

【提出日】2022-03-04

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体レーザ素子と、
光反射面を有する光反射部と、
前記半導体レーザ素子及び前記光反射部が配置される凹部と、前記凹部を囲み前記半導体レーザ素子及び前記光反射部よりも上方に位置する上面と、前記上面に設けられる第１配線部及び第２配線部と、を有する基体と、
を備え、
前記半導体レーザ素子は第１方向に光を出射し、
前記光反射部は、上面視で前記半導体レーザ素子から第１方向に離れた位置に配置され、
前記第１配線部及び第２配線部は、上面視で前記半導体レーザ素子よりも前記第１方向と反対の方向に離れた位置で、前記第１方向に垂直な第２方向に並べて配置される、発光装置。

【請求項2】

前記基体に接合される蓋体をさらに備え、
前記基体は、前記凹部を囲む溶接部を有し、
前記蓋体は、前記溶接部と接合し、
上面視で、前記蓋体と、前記第１配線部及び第２配線部は重ならず、
前記反射部によって反射された光は、前記蓋体を透過して上方に出射される、請求項１に記載の発光装置。

【請求項3】

前記溶接部は、鉄を含む材料で構成される、請求項２に記載の発光装置。

【請求項4】

前記第１配線部は、前記第２配線部から前記第２方向に離れた位置に設けられ、
前記第１配線部の前記第２配線部から前記第２方向に最も遠い位置から、前記第２配線部の前記第１配線部から前記第２方向の反対の方向に最も遠い位置までの長さは、前記凹部の第２方向の幅よりも大きい、請求項１に記載の発光装置。

【請求項5】

前記基体は、前記半導体レーザ素子が配置される基部と、前記基部に配置される枠部と、で構成される、請求項１に記載の発光装置。

【請求項6】

前記第１配線部及び第２配線部は、前記基体の基部に設けられる、請求項５に記載の発光装置。

【請求項7】

前記基体は、窒化アルミニウムのセラミックスを含む、請求項１に記載の発光装置。

【請求項8】

前記基体は、酸化アルミニウムのセラミックスを含む、請求項５に記載の発光装置。

【請求項9】

前記半導体レーザ素子が固定されるサブマウントをさらに備え、
前記半導体レーザ素子は、前記サブマウントを介して前記基体に実装される、請求項１に記載の発光装置。

【請求項10】

前記半導体レーザ素子に接合するワイヤをさらに備え、
前記半導体レーザ素子は、前記ワイヤにより、前記第２配線部と電気的に接続される、請求項１に記載の発光装置。

【請求項11】

前記光反射部は、前記基体と別体である、請求項１に記載の発光装置。

【請求項12】

前記第１配線部及び第２配線部はいずれも、上面視で、前記第１方向の幅よりも前記第２方向の幅の方が大きい、請求項１に記載の発光装置。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0004】

このような発光装置では、蛍光部の光照射面に照射される放射光の光強度が、中心部においてその周囲よりも高くなる。この場合は、放射光の中心部が照射された蛍光部の発熱量が大きくなることにより、蛍光部の変換効率が低下するおそれがある。また、蛍光部から取り出される光の発光強度むらや色むらが生じるおそれがある。
またあるいは、発光装置は、放熱性を考慮して設計されることが好ましい。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0005】

本発明の一形態に係る発光装置は、半導体レーザ素子と、光反射面を有する光反射部と、前記半導体レーザ素子及び前記光反射部が配置される凹部と、前記凹部を囲み前記半導体レーザ素子及び前記光反射部よりも上方に位置する上面と、前記上面に設けられる第１配線部及び第２配線部と、を有する基体と、を備え、前記半導体レーザ素子は第１方向に光を出射し、前記光反射部は、上面視で前記半導体レーザ素子から第１方向に離れた位置に配置され、前記第１配線部及び第２配線部は、上面視で前記半導体レーザ素子よりも前記第１方向と反対の方向に離れた位置で、前記第１方向に垂直な第２方向に並べて配置される、発光装置である。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】削除

【補正の内容】

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】削除

【補正の内容】

【手続補正6】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0008】

放熱性が考慮された発光装置とすることができる。