(57)【要約】【課題】コストを低減させ又は信頼性を向上させる。【解決手段】波長変換部材１０は、半導体発光素子１１からの光をより長波長の光に波長変換する蛍光体層１４と、蛍光体層１４が波長変換した光を導く第２の第２の導波路１８と、第２の第２の導波路１８に導かれた光が入射し、電気光学効果を有する回折格子１９と、回折格子１９に電界を印加するための電極２１と、を具備する。この構成によれば、波長変換された光が電気光学効果を有する回折格子１９に入射するので、回折格子１９に電界を印加することにより、コストの低減または信頼性の向上の効果を得つつ回折格子１９から出射する光の方向を切り替えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子からの光をより長波長の光に波長変換する蛍光体層と、
前記蛍光体層が波長変換した光を導く導波路と、
前記導波路に導かれた光が入射し、電気光学効果を有する回折格子と、
前記回折格子に電界を印加するための電極と、を具備する波長変換素子。
【請求項２】
前記回折格子は、電気光学効果を有する単結晶材料から構成される請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記回折格子は、前記導波路の端部付近に設けられる請求項１または２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記電極は、前記回折格子の側面に設けられ、前記回折格子を構成する光学要素の長手方向に電界を印加する請求項１から３の何れかに記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記回折格子は、圧電材料の単結晶から構成される請求項１から４の何れかに記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記回折格子は、ＬｉＮｂＯ３、Ｋ（ＴａＮｂ）Ｏ３、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３、ＫＨ２ＰＯ４、およびＫＤ２ＰＯ４からなる群から選択された何れか一つの単結晶から構成される請求項１から５の何れかに記載の波長変換素子。
【請求項７】
請求項１から６の何れかに記載の波長変換素子と、
前記半導体発光素子と、
前記回折格子からの光の少なくとも一部を反射する反射鏡と、を具備する光源ランプ。
【請求項８】
前記反射鏡が、円柱の外側面の一部を切り出した曲面形状反射鏡である請求項７に記載の光源ランプ。
【請求項９】
前記反射鏡が、凸面鏡である請求項７または８に記載の光源ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子からの光をより長波長の光に波長変換する波長変換素子、およびその波長変換素子を備えた光源ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザから出射されたレーザ光により発光する発光部と、発光部と対向する発光部対向面を有し、発光部対向面を通して発光部７の熱を受け取る熱伝導部材と、発光部の熱をランプの外に伝導させ冷却させる冷却装置と、発光部と対向する発光部対向面の間に熱を伝導させる間隙層とを備え、間隙層は、少なくとも無機非晶質材料を含んでいるヘッドランプがあった（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−４４７９号公報
【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、従来の技術によれば、例えば、ヘッドランプのハイビームとロービームを切り替えるためには、ハイビーム用の光源およびロービーム用の光源の２組の光源を設けるか、あるいは、出射光の方向を切り替える可動式ミラーを設ける必要があると考えられるが、前者は光源ランプのコストが上昇し、後者は光源ランプのハウジング内にモータなどの駆動部が必要となり信頼性が低下するという課題があった。すなわち、出射光の方向を切り替える場合、コストが上昇し又は信頼性が低下するという課題があった。
【０００５】
本開示は、上記課題に鑑みてなされたものであって、コストを低減させ又は信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る波長変換素子は、半導体発光素子からの光をより長波長の光に波長変換する蛍光体層と、蛍光体層が波長変換した光を導く導波路と、導波路に導かれた光が入射し、電気光学効果を有する回折格子と、回折格子に電界を印加するための電極と、を備える。
【０００７】
また、本開示の一態様に係る光源ランプは、波長変換素子と、半導体発光素子と、回折格子からの光の少なくとも一部を反射する反射鏡と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、コストを低減させ又は信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の第１の実施の形態に係る光源部の概略構成を示す構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光源部の概略構成を示す上面図である。
【図３】本開示の第２の実施の形態に係る光源部の概略構成を示す構成図である。
【図４】第２の実施の形態に係る光源部の概略構成を示す上面図である。
【図５】第３の実施の形態に係る光学系の概略構成を示す構成図である。
【図６】第４の実施の形態に係る光学系の別の概略構成を示す構成図である。
【図７】第５の実施の形態に係る光源ランプの概略構成を示す構成図である。
【図８】第６の実施の形態に係る車両の概略構成を示す構成図である。
【図９】本開示の実施例１に係る光学シミュレーションに用いた光源部のモデルの構成を示す構成図である。
【図１０】実施例１に係る印加電界ＯＦＦ時の光学シミュレーション結果を示す図である。
【図１１】実施例１に係る印加電界ＯＮ時の光学シミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の第１の側面に係る波長変換素子は、半導体発光素子からの光をより長波長の光に波長変換する蛍光体層と、前記蛍光体層が波長変換した光を導く導波路と、前記導波路に導かれた光が入射し、電気光学効果を有する回折格子と、前記回折格子に電界を印加するための電極と、を具備する。この構成によれば、波長変換された光が電気光学効果を有する回折格子に入射するので、回折格子に電界を印加することにより、コストの低減または信頼性の向上の効果を得つつ回折格子から出射する光の方向を切り替えることができる。  また、本開示の第２の側面に係る波長変換素子は、第１の側面に係る波長変換素子において、前記回折格子は、電気光学効果を有する単結晶材料から構成される。この構成によれば、電気光学効果を向上させることができる。
【００１１】
また、本開示の第３の側面に係る波長変換素子は、第１または第２の側面に係る波長変換素子において、前記回折格子は、前記導波路の端部付近に設けられる。この構成によれば、回折格子から出射する光の方向の切り替え角度を大きくすることができる。
【００１２】
また、本開示の第４の側面に係る波長変換素子は、第１から第３の何れかの側面に係る波長変換素子において、前記電極は、前記回折格子の側面に設けられ、前記回折格子を構成する光学要素の長手方向に電界を印加する。この構成によれば、回折格子を効率よく駆動することができる。
【００１３】
また、本開示の第５の側面に係る波長変換素子は、第１から第４の何れかの側面に係る波長変換素子において、前記回折格子は、圧電材料の単結晶から構成される。この構成によれば、圧電効果により回折格子を駆動することができる。
【００１４】
また、本開示の第６の側面に係る波長変換素子は、第１から第５の何れかの側面に係る波長変換素子において、前記回折格子は、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）、Ｋ（ＴａＮｂ）Ｏ３（ＫＴＮ）、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３（ＰＬＺＴ）、ＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ）、およびＫＤ２ＰＯ４（ＫＤ＊Ｐ）からなる群から選択された何れか一つの単結晶から構成される。この構成によれば、電気光学効果を向上させることができる。
【００１５】
また、本開示の第７の側面に係る光源ランプは、第１から第６の何れかの側面に係る波長変換素子と、前記半導体発光素子と、前記回折格子からの光の少なくとも一部を反射する反射鏡と、を具備する。この構成によれば、波長変換された光が電気光学効果を有する回折格子に入射するので、回折格子に電界を印加することにより、コストの低減または信頼性の向上の効果を得つつ回折格子から出射する光および該光を反射した光の方向を切り替えることができる。
【００１６】
また、本開示の第８の側面に係る光源ランプは、第７の側面に係る光源ランプにおいて、前記反射鏡が、円柱の外側面の一部を切り出した曲面形状反射鏡である。この構成によれば、反射された光の切り替え角度を大きくすることができる。
【００１７】
また、本開示の第９の側面に係る光源ランプは、第７または第８の側面に係る光源ランプにおいて、前記反射鏡が、凸面鏡である。この構成によれば、反射された光の切り替え角度を大きくすることができる。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は、本開示の第１の実施の形態に係る光源部の概略構成を示す構成図である。本実施の形態の光源部は、波長変換部材１０と、半導体発光素子１１とを備える。半導体発光素子１１は、例えば、ＬＥＤ、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ）などである。本実施の形態では、半導体発光素子１１がＬＤである場合を説明する。半導体発光素子１１は、一つのＬＤであってもよいし、複数のＬＤを光学的に結合させたものでもよい。半導体発光素子１１は、例えば、青紫光を出射する。半導体発光素子１１は、青色光を出射してもよい。また、半導体発光素子１１は、他の光を出射するものであってもよいし、複数種類の光を出射してもよい。
【００１９】
本開示で、青紫光とは、ピーク波長が３８０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の光をいう。また、本開示で、青色光とは、ピーク波長が４２０ｎｍを超え且つ４８０ｎｍ以下の光をいう。波長変換部材１０と半導体発光素子１１との間には、半導体発光素子１１の光を波長変換部材１０に導く入射光学系１２が設けられていてもよい。入射光学系１２は、例えば、レンズ、ミラー及び／又は光ファイバなどを備えている。
【００２０】
波長変換部材１０は、蛍光体層１４と第２の導波路１８と回折格子１９とを具備する。蛍光体層１４は、例えば、円柱状、円盤状または直方体状である。蛍光体層１４は、他の形状であってもよい。蛍光体層１４は、半導体発光素子１１からの光をより長波長の光に波長変換する。蛍光体層１４は蛍光体粉体１３と結着材料１５とを含んでいてもよい。半導体発光素子１１が青紫光を出射する場合、蛍光体層１４は、例えば、黄色蛍光体および青色蛍光体を含む。本開示で、黄色蛍光体とは、発光スペクトルのピーク波長が５４０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下であるものをいう。また、本開示で、青色蛍光体とは、発光スペクトルのピーク波長が４２０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下であるものをいう。
【００２１】
また、半導体発光素子１１が青色光を出射する場合、蛍光体層１４は、例えば、黄色蛍光体を含む。蛍光体粉体は、多数の蛍光体粒子を含む。結着材料は、蛍光体粒子間に配置され、蛍光体粒子を結着する。結着材料１５は、例えば、無機材料である。結着材料は、樹脂、ガラスまたは透明結晶などの媒体であってもよい。また、蛍光体層１４は結着材料１５を含まない蛍光体焼結体、即ち蛍光体セラミクスであってもよい。
【００２２】
蛍光体層１４は、例えば、担持材１６に担持されている。担持材１６は、蛍光体層１４の底面を支持し且つ蛍光体層１４の側面を取り囲むように配置される。ここで、蛍光体層１４の底面とは、半導体発光素子１１からの光が入射する側の面をいい、蛍光体層１４の側面とは底面を取り囲む面をいう。蛍光体層１４において、担持材１６と接触する面の面積は、例えば、担持材１６と接触しない面の面積よりも大きくてもよい。これにより、蛍光体層１４の放熱を促進することができる。担持材１６は、例えば、円柱状の蛍光体層１４とほぼ同じ中心軸、ほぼ同じ高さを有する厚い側壁と蛍光体層１４を支持する円盤状の底面とを有する円筒状である。担持材１６は、半導体発光素子１１からの光を蛍光体層１４に導く第１の導波路１７を有していてもよい。担持材１６は、は、他の形状であってもよい。また、担持材１６は、熱伝導率が４２Ｗ／ｍ℃以上であってもよい。担持材１６は、例えば、無機材料から構成される。担持材１６は、樹脂、ガラスまたは透明結晶などから構成されるものであってもよい。担持材１６は、蛍光体層１４からの光を透過する。これにより、光取出し効率を向上させることができる。担持材１６は、半導体発光素子１１及び／又は蛍光体層１４の発光波長の光を吸収または反射するものであってもよい。
【００２３】
また、第１の導波路１７は、結着材料１５と同じ樹脂、ガラスまたは透明結晶などの媒体であってもよい。第２の導波路１８は、底面の端部付近が蛍光体層１４に光学的に接続され、もう一方の端部付近の上面に回折格子１９が配置されている。導波路の形状の一例として、長辺方向の長さ１ｍｍ、短辺方向の長さ１００ｕｍ、厚み１００ｕｍの石英板を用いてもよい。回折格子１９を構成する各光学要素の一例として、幅が１１２ｕｍ、高さが２２５ｕｍ、長さが１００ｕｍのＬｉＮｂＯ３を用いてもよい。回折格子１９は、例えば、複数の光学要素が２２５ｕｍの周期で１次元状に並んだ構成を有する。回折格子１９は、複数の光学要素が２次元状に並んだ構成であってもよい。回折格子１９の各光学要素は、第２の導波路１８上に直接接触するように配置されていてもよいし、透明基板を介して第２の導波路１８上に間接的に配置されていてもよい。これらの構成により、蛍光体層１４から出射された光は、第２の導波路１８を通じて光学的に結合した回折格子１９に導かれ、第２の導波路１８より屈折率の高い材料で形成された回折格子１９へ光が進むため、光源部からの出射角を水平から図１の上方へ偏向させることが出来る。
【００２４】
図２は、本開示の第１の実施の形態に係る光源部の概略構成を示す上面図である。電極２１を回折格子１９の両側面に設けることで、回折格子１９に電界を印加し、電気光学効果によって屈折率を変化させることが可能になる。
【００２５】
次に、本実施の形態の動作について説明する。半導体発光素子１１から出射された光は、入射光学系１２及び第１の導波路１７を通り、蛍光体層１４に入射する。この入射光により、蛍光体層１４の蛍光体が励起され、例えば青色光を出射する。発光の際、蛍光体から熱が発生する。蛍光体からの熱は、蛍光体層１４と担持材１６の接触面から担持材１６側に伝導し、蛍光体の放熱が促進される。蛍光体から出射した光は、第２の導波路１８を伝播し、第２の導波路１８に光学的に結合した回折格子１９によって第２の導波路１８の水平軸から上方へ偏向して出射される。このとき、回折格子１９の各光学要素の長手方向に電界を印加する。すなわち、第２の導波路１８に垂直な方向に電界を印加する。これにより、ポッケルス効果およびカー効果が生じて回折格子１９の各要素の屈折率が増加し、光の出射角を変化させることが出来る。
【００２６】
（第２の実施の形態）
図３は、本開示の第２の実施の形態に係る光源部の概略構成を示す構成図であり、図４は、この構成の上面図である。図３及び４において、前述した実施の形態１と同じ部分については図１及び２と同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。第２の実施の形態の波長変換部材２０は、回折格子２９を構成する各光学要素の高さが光源から遠ざかるに従って徐々に増加する点が、第１の実施の形態の波長変換部材１０と異なる。この構成によって、蛍光体層１４から出射された光を第２の導波路１８から効果的に回折格子２９に導き、回折格子２９の始端での反射を低減することで、光学的な結合を向上させ、発光効率を向上させることができる。
【００２７】
（第３の実施の形態）
図５は、本開示の第３の実施の形態に係る光学系３０の概略構成を示す構成図である。本実施の形態の光学系３０は、前述した第１又は第２の実施の形態に係る光源部３２と反射鏡３１とを備える。反射鏡３１は、光源部３２からの光線を反射する。反射鏡３１は、光線の進行方向に対して斜めに傾いており、光源部３２からの光線の出射角度が変化すると、該光線が反射鏡３１に入射する位置および角度が変化し、光学系３０からの出射光の角度が変化する。光源部３２からの光線の出射角度が変化した場合、光源部３２から反射鏡３１までの光線の航路長が変化する。この航路長の変化の幅を増加させることで光学系３０からの出射光の角度変化の幅を増加させることができる。
【００２８】
（第４の実施の形態）
図６は、本開示の第４の実施の形態に係る光学系の別の概略構成を示す構成図である。本実施の形態の光学系４０は、前述した第１又は第２の実施の形態に係る光源部３２と反射鏡４１とを備える。反射鏡４１は、光源部３２からの光線を凸面で反射する。反射鏡４１は、光線の進行方向に対して膨らんだ凸面の反射面を有しており、光源部３２からの光線の出射角度が変化すると、該光線が反射鏡４１に入射する位置および角度が変化し、光学系４０からの出射光の角度が変化する。この凸面により、光源部３２からの光線の出射角度が変化した場合に光学系３０からの出射光の角度変化の幅を増加させることができる。反射鏡４１は、シリンドリカル（円柱状）ミラーの凸部であってもよい。凸面鏡である反射鏡４１に代えて、複数の傾き角からなるフレネルミラーを用いても同様の効果が得られる。
【００２９】
（第５の実施の形態）
図７は、本開示の第５の実施の形態に係る光源ランプ５０の概略構成を示す構成図である。光源ランプ５０は、例えば、車両用ヘッドランプである。光源ランプ５０は、スポットライト、特殊照明、ヘッドアップディスプレイ、プロジェクタ、サーチライト、懐中電灯であってもよい。本実施の形態の光源ランプ５０は、前述した第３又は第４の実施の形態に係る光学系３０又は４０を備えている。光源ランプ５０は、さらに、ハウジングミラーであって回転放物面状の反射面を有する放物ミラー５１を備えている。
【００３０】
例えば、光学系３０又は４０の反射鏡３１又は４１は、放物ミラー５１の焦点部分に配置され、光学系３０又は４０の光源部３２は、放物ミラー５１の外側に配置さる。反射鏡３１又は４１は、光源部３２からの光を放物ミラー５１の反射面導く。光源部３２の回折格子１９又は２９に印加する電界のＯＮ、ＯＦＦによって光学系３０又は４０からの光の出射角度が変化し、光源ランプ５０から出射する光線の方向を変化させることが出来る。半導体発光素子１１から青紫光が出射する場合、反射鏡３１又は４１及び放物ミラー５１を含む出射光学系の何れかの部分に波長カットフィルター５２を設け、半導体発光素子１１からの青紫光が外部に出ないように吸収又は反射してもよい。図７では、フロントレンズ上に波長カットフィルター５２を設けた例を示している。青色光を発する蛍光体および黄色光を発する蛍光体を積層または混合して蛍光体層１４を構成することで、これらの黄色光および青色光が混合して白色光となる。これらの黄色光および青色光は、反射鏡３１又は４１及び放物ミラー５１で反射されて前方に向かう。
【００３１】
（第６の実施の形態）
図８は本開示の第６の実施の形態に係る車両６０の概略構成を示す構成図である。車両６０は、第６の実施の形態に係る光源ランプ５０と、電力供給源６１と、を備える。車両６０は、エンジン等の駆動源によって回転駆動され、電力を発生する発電機６２を有していてもよい。発電機６２が生成した電力は、電力供給源６１に蓄えられる。電力供給源６１は、充放電が可能な２次電池である。
【００３２】
光源ランプ５０は、例えば、車両用ヘッドライトである。光源ランプ５０は、電力供給源６１からの電力によって点灯する。光源ランプ５０からの光の出射角度を変えることにより、ハイビームとロービームとを切り替えても良い。これにより、ハイビーム用の光源およびロービーム用の光源の２組の光源を設ける必要も、出射光の方向を切り替える可動式ミラーを設ける必要もなくなる。よって、コストを低減し、且つ信頼性を向上させることができる。車両６０は、例えば、自動車、２輪車又は特殊車両である。さらに、車両６０は、エンジン車、電気車、又はハイブリッド車であってもよい。
【００３３】
第１〜第６の実施の形態は適宜組み合わせることができる。第３〜第６の実施の形態に係る反射鏡及び／又は放物ミラーは、例えば、Ａｌ、Ａｇなどの金属膜もしくは表面に保護膜が形成されたＡｌ膜を有する。上述したように、本開示の第１〜第６の実施の形態によれば、反射鏡をモーター等の回転機構を用いて駆動することなく出射光の出射角度を変化させることができるので、低コストで信頼性の高い光源を提供することができる。
【実施例１】
【００３４】
回折格子の電気光学効果によって光源部からの出射角が変化することを確認するため、時間領域差分法（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ  ｍｅｔｈｏｄ、以後ＦＤＴＤ法と記載する。）による光学シミュレーションを行った。光学シミュレーションを行うために、ＲＳｏｆｔ社製Ｆｕｌｌｗａｖｅを使用した。
【００３５】
図９に、この光学シミュレーションに用いたモデルを示す。このモデルは、実施の形態２の第２の導波路１８及び回折格子２９と第２の導波路１８の一旦に設けられた光源７１とを備える。第２の導波路１８の屈折率として石英の屈折率１．４７を設定し、電界ＯＦＦ時の回折格子２９の屈折率として電界ＯＦＦ時のＬｉＮｂＯ３の屈折率２．３を設定し、電界ＯＮ時の回折格子２９の屈折率として電界ＯＮ時のＬｉＮｂＯ３の屈折率２．４を設定した。
【００３６】
図１０は、印加電界ＯＦＦ時のＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果であり、図１１は、印加電界ＯＮ時のＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果である。図１０および図１１において、Ｘ軸は図９の横方向、Ｚ軸は図９の縦方向に対応し、色の濃い部分ほど電界の振幅が強いことを示している。図１０および図１１に示すように、光源７１から発せられた光の電界が回折格子２９を出て空気中に伝播していく。印加電界ＯＦＦ時は、図１０に示すように、光源７１から出射した光は、第２の導波路１８を伝播し回折格子２９によって第２の導波路１８の水平軸から上方へ偏向して出射される。印加電界ＯＮ時は、回折格子２９の屈折率が０．１増加する。これにより、図１１に示すように、光源７１から出射した光は、回折格子２９によって導波路の水平軸からさらに上方へ偏向して出射される。
【００３７】
表１に、印加電解ＯＦＦ時および印加電界ＯＮ時の屈折率および出射角度を示す。表１から明らかなように、電気光学効果によって回折格子２９の屈折率が変化させることで光の出射角度を変化させることが出来る。
【００３８】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００３９】
本開示の波長変換部材は、例えば、特殊照明、ヘッドアップディスプレイ、プロジェクタ及び車両用ヘッドランプなどの光源に用いることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０，２０    波長変換部材
１１    半導体発光素子
１２    入射光学系
１３    蛍光体粉体
１４    蛍光体層
１５    結着材料
１６    担持材
１７    第１の導波路
１８    第２の導波路
１９，２９    回折格子
２１    電極
３０，４０    光学系
３１，４１    反射鏡
３２    光源部
５０    光源ランプ
５１    放物ミラー
５２    波長カットフィルター
６０    車両
６１    電力供給源
６２    発電機
７１    光源
【図５】
2015135395.tif 000004
【図６】
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【図７】
2015135395.tif 000006
【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１０】
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【図１１】
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