(57)【要約】【課題】透光性部材から取り出される光の色むらを低減することができ、また、発光効率を向上させることができる発光装置を提供する。【解決手段】レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から離間して設けられ、蛍光体含有層を含み、前記レーザ光が入射する光入射面と、前記光入射面とは異なる面である光出射面とを有する透光性部材と、を備え、前記レーザ光は、前記光入射面におけるスポット形状が長手方向を有する形状であり、前記透光性部材は、前記光入射面の前記レーザ光が照射される領域に、前記スポット形状の前記長手方向に沿って設けられた断面逆Ｖ字状又は断面逆Ｕ字状の溝部を有する発光装置。【選択図】図２Ｃ
2019134005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から離間して設けられ、蛍光体含有層を含み、前記レーザ光が入射する光入射面と、前記光入射面とは異なる面である光出射面とを有する透光性部材と、を備え、
前記レーザ光は、前記光入射面におけるスポット形状が長手方向を有する形状であり、
前記透光性部材は、前記光入射面の前記レーザ光が照射される領域に、前記スポット形状の前記長手方向に沿って設けられた断面逆Ｖ字状又は断面逆Ｕ字状の溝部を有する発光装置。
【請求項２】
前記透光性部材は前記蛍光体含有層のみからなる請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記溝部の前記長手方向における一端及び他端はそれぞれ前記透光性部材の前記外側面まで達している請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記溝部の深さは前記透光性部材の厚みの１０％以上５０％以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光のうち光強度がピーク強度の９０％以上の部分の少なくとも一部が前記溝部の最底部に照射される請求項１から４のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項６】
前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光のうち光強度がピーク強度の６０％以上の部分が前記溝部に照射される請求項１から５のいずれか１項に記載の発光装置。
【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】
レーザ素子と、レーザ素子から出射される光が入射する波長変換層と、レーザ素子と波長変換層との間に設けられた拡散層を備えた発光装置が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１記載の発光装置は、レーザ光を拡散層で拡散することにより、波長変換層に含有される蛍光体の局所的な効率低下を抑制することや、波長変換層から取り出される光の色むらを改善することを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−６７９６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、拡散の度合いを強くするほど拡散層から波長変換層へ向かう光の量は減少する。このため、特許文献１記載の発光装置では、レーザ光をより拡散させるほど発光装置の発光効率が低下しやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は以下の発明を含む。
【０００６】
レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から離間して設けられ、蛍光体含有層を含み、前記レーザ光が入射する光入射面と、前記光入射面とは異なる面である光出射面とを有する透光性部材と、を備え、前記レーザ光は、前記光入射面におけるスポット形状が長手方向を有する形状であり、前記透光性部材は、前記光入射面の前記レーザ光が照射される領域に、前記スポット形状の前記長手方向に沿って設けられた断面逆Ｖ字状又は断面逆Ｕ字状の溝部を有する発光装置。
【発明の効果】
【０００７】
上記の発光装置によれば、透光性部材から取り出される光の色むらを低減することができ、また、発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る発光装置の模式的断面図である。
【図２Ａ】実施形態に係る透光性部材及び支持部材の模式的平面図である。
【図２Ｂ】実施形態に係る透光性部材及び支持部材の模式的底面図である。
【図２Ｃ】図２Ａ中の２Ｃ−２Ｃ線における断面を示す模式的断面図である。
【図２Ｄ】図２Ａ中の２Ｄ−２Ｄ線における断面を示す模式的断面図である。
【図３】透光性部材及び支持部材の他の形態を示す模式的断面図である。
【図４】透光性部材及び支持部材の他の形態を示す模式的断面図である。
【図５】透光性部材及び支持部材の他の形態を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［実施形態に係る発光装置１］
図１は実施形態に係る発光装置の模式的断面図であり、図２Ａは実施形態に係る透光性部材及び支持部材の模式的平面図であり、図２Ｂは実施形態に係る透光性部材及び支持部材の模式的底面図であり、図２Ｃは図２Ａ中の２Ｃ−２Ｃ線における断面を示す模式的断面図であり、図２Ｄは図２Ａ中の２Ｄ−２Ｄ線における断面を示す模式的断面図である。図２Ａ中、点線Ｌ２は透光性部材において蛍光体等による散乱がないと仮定した場合の光出射面２０ｂにおけるレーザ光のスポット形状を仮想的に示す線である。図２Ｂ中、点線Ｌ１は光入射面２０ａにおけるレーザ光のスポット形状を示す線である。
【００１０】
図１−図２Ｄに示すように、実施形態に係る発光装置１は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０から離間して設けられた透光性部材２０と、を備える。透光性部材２０は、蛍光体含有層２２を含み、レーザ光が入射する光入射面２０ａと、光入射面２０ａとは異なる面である光出射面２０ｂとを有する。レーザ光は、光入射面２０ａにおけるスポット形状が長手方向を有する形状である。透光性部材２０は、光入射面２０ａのレーザ光が照射される領域に、スポット形状の長手方向に沿って設けられた断面逆Ｖ字状又は断面逆Ｕ字状の溝部２４を有する。以下、詳細に説明する。
【００１１】
（半導体レーザ素子１０）
半導体レーザ素子１０はレーザ光を出射する。レーザ光は、透光性部材２０の光入射面２０ａにおけるスポット形状が、楕円形状などのように、長手方向を有する形状である。半導体レーザ素子１０には、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子１０などを用いることができる。半導体レーザ素子１０は単数でもよく複数でもよい。なお、透光性部材２０の光入射面２０ａにおけるスポット形状とは、光入射面２０ａにおけるレーザ光の主要部分の形状を指し、レーザ光の主要部分とは、レーザ光のピーク強度値から１／ｅ２等の任意の強度に落ちたところまでの強度範囲の部分を指す。
【００１２】
（透光性部材２０）
透光性部材２０は半導体レーザ素子１０から離間して設けられる。透光性部材２０を半導体レーザ素子１０から離間して設けることにより、半導体レーザ素子１０で生じた熱の透光性部材２０への伝搬が抑制されるとともに、透光性部材２０で生じた熱の半導体レーザ素子１０への伝搬が抑制される。透光性部材２０と半導体レーザ素子１０の離間距離は、例えば、０．５〜１０ｍｍとすることができる。
【００１３】
透光性部材２０は透光性を有する部材である。透光性とは、半導体レーザ素子１０からの光および蛍光体からの光の少なくとも一部を透過する性質をいう。透光性部材２０は、レーザ光の照射により変質しにくいように、無機材料からなることが好ましい。透光性部材２０は蛍光体含有層２２を含んでいる。蛍光体含有層２２とは蛍光体を含有する層であり、蛍光体とは半導体レーザ素子１０のレーザ光の一部を波長変換する物質である。蛍光体含有層２２には２種以上の蛍光体が混合されていてもよい。
【００１４】
本実施形態では、透光性部材２０が蛍光体含有層２２と蛍光体を含有しない他の層２８とを有する。このような他の層２８のみに溝部２４を設ければ、蛍光体含有層２２の厚みを均一としたままで透光性部材２０に溝部２４を設けることができる。したがって、透光性部材２０から取り出される光の色むら改善に有利である。他の層２８は、サファイアからなることが好ましい。サファイアであれば、透光性かつ放熱性が良好であるので、レーザ光照射による蛍光体含有層２２の温度上昇の度合いを低減することができる。
【００１５】
蛍光体含有層２２としては、蛍光体の単結晶、蛍光体と母材とを混合したもの等が挙げられる。母材には、ガラスやサファイアなどの透光性のあるセラミックスのほか、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、またはこれらの２種以上を組み合わせたものを用いることができる。蛍光体には、ＹＡＧ、ＬＡＧ、Ｃａ−αサイアロン、ＣＡＳＮ等を用いることができる。例えばＹＡＧ蛍光体を用いる。蛍光体含有層２２は複数積層されていてもよい。
【００１６】
蛍光体含有層２２は、例えば、蛍光体の粒子とバインダ粒子等を混合し焼結することにより作製することができる。
【００１７】
透光性部材２０はレーザ光が入射する光入射面２０ａと、光入射面２０ａとは異なる面である光出射面２０ｂを有する。光入射面２０ａの溝部２４が設けられている部分以外の面は、光出射面２０ｂと略平行とすることができる。
【００１８】
（溝部２４）
溝部２４は光入射面２０ａに形成されている。溝部２４は、断面逆Ｖ字状又は断面逆Ｕ字状の形状を有する。溝部２４は、光入射面２０ａの少なくともレーザ光が照射される領域（当該領域は、レーザ光のスポット形状を含む領域であり、レーザ光のスポット形状より大きい。）に、その照射されるレーザ光のスポット形状の長手方向に沿って走るよう設けられている。このようにすれば、図２Ｃ、図２Ｄに示すように、溝部２４の内壁面Ｔに入射したレーザ光を、透光性部材２０の外側面２０ｃに近づく方向に屈折させる（つまり、レーザ光の拡がり角の狭い部分が拡がる方向に屈折させる）ことができる。蛍光体含有層２２内を伝搬するレーザ光が局所的に高密度になると、当該レーザ光が高密度である局所的な領域において蛍光体の発光効率が低下する。しかるところ、上記のように溝部２４を設ければ、透光性部材２０に入射したレーザ光が透光性部材２０ひいては蛍光体含有層２２内において広がり、蛍光体含有層２２内において、レーザ光が局所的に高密度になることを抑制できる。これにより、蛍光体含有層２２内において蛍光体の発光効率が局所的に低下することを抑制することができる。したがって、蛍光体含有層２２内における蛍光体の発光効率を均一に近づけ、透光性部材２０から取り出される光の色むらを低減することができる。また、上記の溝部２４は、蛍光体含有層２２におけるレーザ光の密度を均一に近づけるものではあるが、蛍光体含有層２２に入射するレーザ光の光量を減少（または著しく減少）させるものではない。したがって、散乱部材を用いてレーザ光を散乱させる場合と比較して発光装置１の発光効率を向上させることができる。
【００１９】
溝部２４が走る方向、つまり溝部２４の底の延伸方向は、透光性部材２０を光入射面２０ａの側から見たときに、レーザ光のスポット形状の長手方向と一致することが好ましいが、長手方向から１０°以内のずれがあってもよい。なお、溝部２４が断面逆Ｖ字状の形状であるとは、図２Ｃに示すように、溝部２４が走る方向に対して垂直な方向の断面視において、Ｖ字を上下逆転させた形状であることを指す。同様に、断面逆Ｕ字状の形状とは、図３に示すように、溝部２４が走る方向に対して垂直な方向の断面視において、Ｕ字を上下逆転させた形状を指す。
【００２０】
溝部２４の長手方向における一端及び他端はそれぞれ透光性部材２０の外側面２０ｄまで達していることが好ましい。このようにすれば、溝部２４の長手方向における中央部のみならず、一端側及び他端側においても、入射するレーザ光を透光性部材２０の外側面２０ｃに近づく方向に屈折させることができる。したがって、蛍光体含有層２２に入射したレーザ光を蛍光体含有層２２のより広い領域に広がらせることができる。
【００２１】
透光性部材２０の光出射面２０ｂから取り出される光を蛍光体含有層２２の平面視形状（例えば透光性部材２０の光出射面２０ｂの形状。光出射面２０ｂが正方形状や円形状である場合はそれらの形状。以下、本段落において同じ。）に近付けるために、溝部２４の深さは透光性部材２０の厚みの５０％以下であることが好ましい。このようにすれば、透光性部材２０の光入射面２０ａにおけるスポット形状が長手方向を有する形状であったレーザ光が、透光性部材２０の光出射面２０ｂに達するまでに透光性部材２０内においてより広い領域に広がる。したがって、透光性部材２０の光出射面２０ｂから取り出される光を蛍光体含有層２２の平面視形状に近付けることができる。また、溝部２４のサイズは半導体レーザ素子１０からのレーザ光が十分に照射される程度に大きいことが好ましい。溝部２４の傾斜面の角度が同じである場合、溝部２４の深さが深いほど溝部２４のサイズは大きくなる。したがって、言い換えれば、溝部２４の深さは半導体レーザ素子１０からのレーザ光が十分に照射される程度に深いことが好ましく、例えば透光性部材２０の厚みの１０％以上とすることができる。
【００２２】
溝部２４は、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の中心部の少なくとも一部が溝部２４の最底部に照射されるように、透光性部材２０の光出射面２０ｂにおいて配置されることが好ましい。レーザ光の中心部とは、透光性部材２０の光出射面２０ｂにおけるレーザ光のスポット形状内（スポット形状の外縁内）において、レーザ光の光強度がピーク強度の９０％以上である部分を指す。また、溝部２４の最底部とは、溝部２４のうち最も上方に位置する部分を指す。例えば、溝部２４が断面逆Ｖ字状である場合はＶ字の頂点を指す。また、溝部２４が断面逆Ｕ字状である場合はＵ字の最も底の部分を指す。上記の構成によれば、レーザ光の中心部と溝部２４の底を実質的に一致させることができるので、レーザ光の中心部よりも外側に位置するレーザ光の拡がり角の狭い部分をより確実に溝部２４の内壁面Ｔに照射させて屈折させ、レーザ光の拡がり角の狭い部分をより確実に拡げることができる。
【００２３】
溝部２４を構成する内壁面Ｔは、照射されるレーザ光が外側（つまり、透光性部材２０の外側面側、あるいは支持部材３０側）に近づく方向に屈折される角度で配置する。溝部が断面逆Ｕ字状の形状である場合も同様である。また、溝部２４は、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の光強度がピーク強度の６０％以上の部分が溝部２４に照射されるように、配置されることが好ましい。言い換えると、透光性部材２０の光出射面２０ｂにおける溝部２４のサイズは、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の大部分が照射される程度に大きいことが好ましい。このようにすれば、溝部２４によってレーザ光の大部分を拡がらせ屈折させることができる。さらには、溝部２４は、図２Ｂに示すように、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光のスポット形状Ｌ１が溝部２４に完全に内包されるように、配置されることが好ましい。レーザ光の光強度がピーク強度の６０％以上の部分とは、透光性部材２０の光出射面２０ｂにおけるレーザ光のスポット形状内（スポット形状の外縁内）において、レーザ光の光強度がピーク強度の６０％以上の部分を指す。なお、上記した各領域または各部分の面積の大小関係は次のとおりである。透光性部材２０の光出射面２０ｂ≧レーザ光が照射される領域≧レーザ光のスポット形状≧レーザ光の光強度がピーク強度の６０％以上である部分＞レーザ光のうち光強度がピーク強度の９０％以上の部分。
【００２４】
溝部２４の大きさや内壁面Ｔの傾斜角度（溝部２４が断面逆Ｕ字状である場合は曲率等）を調整することにより、レーザ光を蛍光体含有層２２のより広い領域に拡げることができる。溝部２４の大きさや内壁面Ｔの傾斜角度は、透光性部材２０において蛍光体等による散乱がないと仮定した場合の、蛍光体含有層２２の上面（光出射面）におけるレーザ光の仮想的なスポット形状が、蛍光体含有層２２の平面視形状（例えば透光性部材２０の光出射面２０ｂの形状）に近くなる大きさや角度であることが好ましい。例えば、蛍光体含有層２２の平面視形状が正方形状又は円形状である場合、蛍光体含有層２２の光出射面におけるレーザ光の仮想的なスポット形状が円形状になるように、溝部２４が設けられることが好ましい。また、半導体レーザ素子１０が複数配置されている場合のように、光入射面２０ａにおけるスポット形状が複数存在する場合は、溝部２４もそれに対応した数だけ設けることが好ましい。
【００２５】
溝部２４は、例えば、ダイシングソーを用いることにより形成することができる。
【００２６】
（支持部材３０）
発光装置１は、透光性部材２０を支持する支持部材３０を備えていてもよい。この場合、支持部材３０は、透光性部材２０が嵌合する貫通孔Ｘを有しており、透光性部材２０は、例えば、後述するキャップ７０の窓部７０ａを塞ぐように貫通孔Ｘに嵌合されて配置される。透光性部材２０は貫通孔Ｘの内壁に接していてもよいが、透光性部材２０と貫通孔Ｘの内壁との間には他の部材が介在していてもよい。支持部材３０の貫通孔Ｘは傾斜面Ｓを備えた逆テーパ状の形状であることが好ましい。傾斜面Ｓは、透光性部材２０の光入射面２０ａ側における貫通孔Ｘの開口が光出射面２０ｂ側における貫通孔Ｘの開口よりも小さくなるよう傾斜していることが好ましい。このようにすれば、透光性部材２０から半導体レーザ素子１０へ向かう光（戻り光）を傾斜面Ｓにて上方（透光性部材２０の光出射面２０ｂ側）に反射させることができるため、発光装置１からより効率的に光を取り出すことが可能となる。
【００２７】
支持部材３０には、反射性を有する部材を用いることが好ましい。例えば、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスを、支持部材３０として用いることができる。
【００２８】
（その他の部材）
透光性部材２０の光出射面２０ｂ側には、色ムラがさらに低減されるよう、光拡散部材が設けられていてもよい。ただし、本実施形態によれば、溝部２４により透光性部材２０内におけるレーザ光を拡げることが可能であるため、光拡散部材は設けられていなくてもよい。透光性部材２０の光入射面２０ａ側には、半導体レーザ素子１０から出射された光を透過する一方で、蛍光体含有層２２内の蛍光体が発する光を反射するフィルタを設けてもよい。
【００２９】
半導体レーザ素子１０は、台座４０上のサブマウント５０に載置される。また、半導体レーザ素子１０はワイヤー等を介してリード端子６０に電気的に接続される。半導体レーザ素子１０は窓部７０ａを有するキャップ７０によって覆われており、半導体レーザ素子１０から出射された光は、窓部７０ａを通ってキャップ７０の外部に取り出される。台座４０やキャップ７０としては、銅、真鍮、タングステン、アルミニウム、銅・タングステン合金などを用いることができる。また、サブマウント５０としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ＣｕＷ、Ｃｕダイヤモンド、ダイヤモンドなどを用いることができる。
【００３０】
以上説明した実施形態に係る発光装置１によれば、透光性部材２０、ひいては蛍光体含有層２２に入射するレーザ光の密度を低下させることにより、蛍光体含有層２２に含まれる蛍光体の発光効率を向上させることができる。したがって、透光性部材２０から取り出される光の色むらを低減することができ、また、散乱部材を用いてレーザ光を散乱させる場合と比較して発光装置１の発光効率を向上させることができる。
【００３１】
［透光性部材２０の他の形態］
図４、図５は透光性部材及び支持部材の他の形態を示す模式的断面図である。図４に示すように、透光性部材２０は、蛍光体含有層２２のみからなるものであってもよい。この場合、溝部２４は蛍光体含有層２２に設けられる。このようにすれば、上述の他の層２８が不要となるので、より少ない工程で発光装置を製造することができる。また、溝部２４があることにより蛍光体含有層２２の光入射面２０ａ側の表面積を増大させることができるため、蛍光体含有層２２のレーザ光が照射される部分の表面積を拡大することができる。これにより、蛍光体含有層２２におけるレーザ光の密度が低減するため、蛍光体含有層２２に含まれる蛍光体の発光効率を向上させることができる。蛍光体含有層２２は２層以上の多層構造であってもよい。また、図５に示すように、透光性部材２０は、円柱状などのように、外側面が傾斜しない形状であってもよい。
【００３２】
以上、実施形態について説明したが、これらの説明によって特許請求の範囲に記載された構成は何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３３】
１      発光装置
１０    半導体レーザ素子
２０    透光性部材
２０ａ  光入射面
２０ｂ  光出射面
２０ｃ  外側面
２０ｄ  外側面
２２    蛍光体含有層
２４    溝部
２８    他の層
３０    支持部材
４０    台座
５０    サブマウント
６０    リード端子
７０    キャップ
７０ａ  窓部
Ｓ      傾斜面
Ｌ１    光入射面におけるレーザ光のスポット形状
Ｌ２    光出射面におけるレーザ光の仮想的なスポット形状
Ｔ      内壁面
Ｘ      貫通孔
【図１】
2019134005.tif 000003
【図２Ａ】
2019134005.tif 000004
【図２Ｂ】
2019134005.tif 000005
【図２Ｃ】
2019134005.tif 000006
【図２Ｄ】
2019134005.tif 000007
【図３】
2019134005.tif 000008
【図４】
2019134005.tif 000009
【図５】
2019134005.tif 000010