(57)【要約】【課題】半導体発光素子と蛍光体を利用しながらも容易に配光特性を制御し得る照明装置を提供する。【解決手段】照明装置は、発光素子（１０２）と、その発光素子から導入された光を導波しかつ少なくとも一部から放射するファイバ状導光体（１００）と、その導光体から放射された光を吸収して他の波長の蛍光を放射する蛍光体を含みかつ発光素子およびファイバ状導光体を内包する透光性保護容器（１０１）と、発光素子に電力を供給する電気的構造（１０３；１０５）を含むことを特徴としている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
前記発光素子から導入された光を導波しかつ少なくとも一部から放射するファイバ状導光体と、
前記導光体から放射された光を吸収して他の波長の蛍光を放射する蛍光体と、
前記発光素子と前記ファイバ状導光体を内包する透光性保護容器と、
前記発光素子に電力を供給する電気的構造を含む
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記ファイバ状導光体の光放射領域の少なくとも１部がらせん形状、放物線形状、および直線形状のいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記透光性保護容器の構成材中に蛍光体が分散されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記ファイバ状導光体の光放射領域内にはその導光体内を伝播する光を部分的に散乱させる光拡散構造が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の照明装置。
【請求項５】
前記ファイバ状導光体はコアとクラッドを含み、前記コアの少なくとも１部領域内に前記光拡散構造が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記ファイバ状導光体はコアとクラッドを含み、前記クラッド中でエバネッセント光が存在する少なくとも１領域内に前記光拡散構造が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
【請求項７】
前記ファイバ状導光体はコアとクラッドを含み、その導光体の光放射領域は前記コア内を伝播する光の１部の放射を生じさせる曲率を有する形状からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の照明装置。
【請求項８】
前記ファイバ状導光体を複数本含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の照明装置。
【請求項９】
前記ファイバ状導光体の端面上において前記発光素子からの光が入射される領域以外の領域上にそのファイバ状導光体内を伝播する光を反射する光学膜が設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１０】
前記ファイバ状導光体の両端面の各々に前記発光素子が配置されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１１】
前記発光素子は半導体レーザ素子と発光ダイオード素子のいずれかからなることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載された照明装置を含む照明システムであって、前記発光素子に電力を供給する前記電気的構造に駆動電力を供給する駆動回路が接続されていることを特徴とする照明システム。
【請求項１３】
前記透光性保護容器の表面上の少なくとも１部に導電性膜が形成されており、前記導電性膜の破断を検知して前記発光素子に供給される電力を制御する制御回路さらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の照明システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子とその素子からの光の波長を変換して様々な色を発光し得る蛍光体とを含む点状の照明装置の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
照明装置は、大別して、点状、線状、および面状の照明装置に分類することができる。従来の一般照明で使用されている点状照明装置としては、アルゴンガス等を充填した真空ガラス球内で電流によって白熱させたフィラメントから可視光を得る白熱電球がある。しかし、白熱電球の場合は、電気エネルギのほとんどが熱として失われてその１部のみが光として放射されるので、発光効率が悪くて消費電力が大きい。
【０００３】
近年では、紫外光を吸収して可視の蛍光（赤、青、緑）を放射する蛍光体が分散された樹脂を紫外発光ダイオード素子に被せて作製された白色発光ダイオード素子が開発されている。また、青色光を吸収して可視の蛍光（黄）を放射する蛍光体が分散された樹脂を青色発光ダイオード素子に被せることによって、補色の関係を利用して白色光を放射する白色発光ダイオード素子が開発されている（例えば特許文献１の特開２０００−１５６５２６号公報参照）。
【０００４】
このような白色発光ダイオード素子では、発熱による損失が少ないので、白熱電球に比べて消費電力を抑えることができるという利点がある。
【０００５】
さらに、白熱電球に代わる照明装置として、半導体レーザ素子、レンズ、および蛍光体を利用した白色照明装置が、特許文献２の特開平７−２８２６０９号公報に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１５６５２６号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平７−２８２６０９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示されているような白色発光ダイオード素子においては、その発光素子から放射される光の指向性が強いので、比較狭い領域のみにしか光を照射することができない。また、特許文献２に開示されているような照明装置においても、半導体レーザ素子から放射される光の放射角はせいぜい２０〜３０度程度に狭いので、拡散レンズを用いてレーザ光を蛍光体に照射している。
【０００９】
しかしながら、一般的に半導体レーザ素子などの発光素子から放射される光束は、その中心部において光強度が非常に強くて周縁部になるにしたがって弱くなるようなガウシアン分布を有している。すなわち、蛍光体に照射される光がこのガウシアン分布の影響を与えるので、蛍光体から空間に放射される蛍光強度分布も均一でなくなってしまう。このようなことから、発光素子と蛍光体を利用する点状照明装置において、配光特性を制御することが困難である。
【００１０】
以上のような先行技術の状況に鑑み、本発明では、半導体発光素子と蛍光体を利用しながらも容易に配光特性を制御し得る照明装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による照明装置は、発光素子と、その発光素子から導入された光を導波しかつ少なくとも一部から放射するファイバ状導光体と、その導光体から放射された光を吸収して他の波長の蛍光を放射する蛍光体と、発光素子およびファイバ状導光体を内包する透光性保護容器と、発光素子に電力を供給する電気的構造を含むことを特徴としている。
【００１２】
なお、ファイバ状導光体の光放射領域の少なくとも１部は、らせん形状、放物線形状、および直線形状のいずれかを含み得る。また、蛍光体は、透光性保護容器の構成材中に分散されて含まれ得る。
【００１３】
ファイバ状導光体の光放射領域内には、その導光体内を伝播する光を部分的に散乱させる光拡散構造が設けられ得る。その場合に、ファイバ状導光体はコアとクラッドを含み、コアの少なくとも１部領域内に光拡散構造が設けられ得る。また、ファイバ状導光体はコアとクラッドを含み、クラッド中でエバネッセント光が存在する少なくとも１領域内に光拡散構造が設けられてもよい。さらに、ファイバ状導光体はコアとクラッドを含み、その導光体の光放射領域はコア内を伝播する光の１部の放射を生じさせる曲率を有する形状にされてもよい。
【００１４】
照明装置は、ファイバ状導光体を複数本含むこともできる。また、ファイバ状導光体の端面上において、発光素子からの光が入射される領域以外の領域上にそのファイバ状導光体内を伝播する光学膜が設けられていることが好ましい。さらに、ファイバ状導光体の両端面の各々に発光素子が配置されてもよい。発光素子としては、半導体レーザ素子と発光ダイオード素子のいずれを利用してもよい。
【００１５】
以上のような照明装置を含む照明システムにおいて、発光素子に電力を供給する電気的構造に駆動電力を供給する駆動回路が好ましく接続され得る。また、透光性保護容器の表面上の少なくとも１部に導電性膜が形成され、その導電性膜の破断を検知して発光素子に供給される電力を制御する制御回路をさらに含むことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１と図２において、本発明の実施形態１による照明装置が模式的に図解されている。図１は照明装置の一部が切除された状態を示しており、図２（ａ）は図１中の光ファイバから切り出した一部を斜視図で示しており、そして図２（ｂ）はその光ファイバの横断面を示している。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。
【００１７】
図１において、波長４１０ｎｍで発光するＧａＮ系発光ダイオード素子１０２と、この発光ダイオード素子からの光を伝播させる光ファイバ１００とが光学的に結合されている。なお、このＧａＮ系発光ダイオード素子と光ファイバは直接結合されていてもよいし、レンズなどを介して光学的に結合されていてもよい。図１においては、これらのＧａＮ系発光ダイオード素子１０２と光ファイバ１００は、樹脂１０６によって固定されている。
【００１８】
ＧａＮ系発光ダイオード素子１０２には電力供給端子１０５からワイヤー１０３が配線されており、このような電気的構造によって発光ダイオード素子１０２へ電力が供給される。
【００１９】
図２に図解されているように、光ファイバ１００は、光を導波する樹脂からなるコア２００とクラッド２０２を含んでいる。このコア２００の１部には、導波光を部分的に散乱させるために、例えばＴｉＯ２粒子を含む光拡散構造２０１が設けられている。
【００２０】
図１に見られるように、光ファイバ１００の両端面のうちでＧａＮ系発光ダイオード素子が配置されていない方の端面には、導波光の放射損失を防止するように光を反射する光学膜１０４が設けられている。この光学膜１０４の膜構成は、膜中において光反射を生じる干渉の原理を用いた一般的な手法により設計することができる。
【００２１】
以上から理解されるように、ＧａＮ系発光ダイオード素子１０２からの光は、らせん形状の光ファイバ１００内を伝播しながら周囲に放射される。
【００２２】
さらに、このファイバ状導光体１００の周囲は、例えば赤色（Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）、青色（（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６：Ｅｕ２＋）からなる蛍光体が分散されたアクリル樹脂からなるボール状保護殻１０１により覆われている。そして、ファイバ状導光体１００から蛍光体含有殻１０１に光が照射されることにより、その蛍光体含有殻１０１から白色光が空間に放射される。
【００２３】
このように光ファイバ１００をらせん状に構成することによって、発光素子１０２からの光をそのファイバから四方へ均一に放射させることができ、すなわち蛍光体を含むボール状殻１０１へほぼ均一に照射することが可能となる。したがって、図１中の矢印で表されているように、配光特性の均一性が良好な照明装置を実現することができる。
【００２４】
なお、光ファイバ１００のらせん形状の巻き数やらせん径などは、所望の配光特性が得られるように任意に選択することが可能である。また、らせん形状部分のみに光拡散体２０１を設けて、他の部分は光を放射しないような光ファイバの構造にしておくことも可能である。
【００２５】
（実施形態２）
図３と図４において、本発明の実施形態２による照明装置が模式的に図解されている。図３は照明装置の一部が切除された状態を示しており、図４（ａ）は図３の照明装置を上から見た場合に光ファイバから放射される光強度分布を模式的に示しており、そして図４（ｂ）は図３の照明装置を左側または右側から見た場合に光ファイバから放射される光強度分布を模式的に示している。
【００２６】
実施形態１に比べて本実施形態２において特徴的なことは、光ファイバ１００の光放射領域の少なくとも１部が放物線状にされていることと、ＧａＮ系発光ダイオード素子１０２の代わりにＧａＮ系半導体レーザ素子３００が用いられていることである。その放物線を含む平面の方向は、図４中においては、双方向矢印で示されている。
【００２７】
本実施形態２のような構成にすることによって、図４中に示されているように、領域４００、領域４０１、および領域４０２の順にしたがって光強度が弱くなるような配光特性を実現し得る。すなわち、本実施形態２では、配光特性を容易に制御することが可能な照明装置を実現することができる。
【００２８】
（実施形態３）
図５において、本発明の実施形態３による照明装置が模式的に図解されており、照明装置の一部が切除された状態が示されている。実施形態１に比べて本実施形態３において特徴的なことは、光ファイバ１００における光放射部の少なくとも１部が直線状になっていることである。
【００２９】
本実施形態３におけるように光ファイバ１００の光放射部を直線状の形状にすることによって、図５中の矢印で表されているように、蛍光体含有殻１０１の側面方向に比べて上面方向のみに強く光を放射させることができる。すなわち、本実施形態３の構成によっても、配光特性を容易に制御することが可能な照明装置を実現することができる。
【００３０】
（実施形態４）
本発明の実施形態４による照明装置は、上述の実施形態１〜３に類似しているが、それに含まれる光ファイバの構造の一部が変更されていることにおいて異なっている。図６と図７は、本実施形態４の照明装置に用いられる光ファイバの構造を模式的な断面図で図解している。
【００３１】
図６の光ファイバは光を導波するコア２００とクラッド２０２を含み、このクラッド２０２内でコア２００の外周近傍のエバネッセント波（コアから漏れた光）が存在する領域２０１において、そのエバネッセント波を散乱するために例えばＴｉＯ２粒子を含む光拡散構造が形成されている。このような光ファイバの端面に配置されたＧａＮ系発光ダイオード素子または半導体レーザ素子などから導入された光は、光ファイバ内を伝播しながらその周囲に放射され得る。
【００３２】
なお、図６のような構造は、光強度が小さい領域（エバネッセント波領域）のみに光拡散構造２０１を含んでいて、伝播光に対して小さい散乱係数を有するので、長い光ファイバの全体にわたって均一に光を放射するための構造として好ましい。
【００３３】
図７の光ファイバは図６のものに類似しているが、クラッド２０２の外周面上において蛍光体が分散されたアクリル樹脂層１０１が形成されていることにおいて異なっている。このような図７の光ファイバを利用する場合には、実施形態１の場合のようにボール状保護殻１０１の材料内に蛍光体を分散させることが不要になる。
【００３４】
本実施形態４におけるように、図６または図７に示されているような光ファイバを利用することによっても、他の実施形態の場合と同様に配光特性を容易に制御することが可能な照明装置を実現することができる。
【００３５】
（実施形態５）
図８、図９、および図１０において、本発明の実施形態５による照明装置が模式的に図解されている。図８は照明装置の一部が切除された状態を示しており、図９は図８中の光ファイバの構造を図解しており、そして図１０は図８中の光ファイバと半導体レーザ素子との光学的結合部を図解している。
【００３６】
図８の照明装置において、ＧａＮ系半導体レーザ素子３００から放射されたレーザ光が光ファイバ１００内に導入される。この光ファイバは途中で２本に分岐されており、分岐されたそれぞれの光ファイバは互いに光学的な相互作用を生じず、互いに直交する平面に沿って配置されている。また、分岐後の２本の光ファイバのそれぞれの端面上には、そこから導波光が放射されて損失となることを防止するために、光を反射する光学膜１０４が形成されている。
【００３７】
図９（ｂ）に示されているように、本実施形態５で用いられている光ファイバ９００は光を導波するコア２００とクラッド２０２を含んでいるが、他の実施形態の場合のようなＴｉＯ２粒子を含むような光拡散構造は設けられていない。その代わりに、図９（ａ）に示されているように、光ファイバから外部へ光を放射させるべき領域には、所定の大きさ以上の曲率が与えられている。このように、光ファイバに所定の大きさ以上の曲率を与えることによって光が放射される理由は、コア内を伝播する光がクラッドの界面に対して入射する角度が光ファイバを曲げることにより変化することに起因する（例えば、光学図書発行、米津著「光通信素子工学」第５版参照）。
【００３８】
図１０に示されているように、本実施形態５では、光ファイバ９００の端面上において半導体レーザ素子３００からのレーザ光が入射する領域以外の領域に例えばアルミニウムの光学反射膜１０００が設けられる。これによって、光ファイバ９００の他方端面側に設けられた反射膜１０４（図８参照）により反射された戻り光がレーザ素子３００と光ファイバ９００との光学的結合部から放射される損失を軽減させることができる。
【００３９】
本実施形態５におけるように光ファイバを複数本設けることによって（図８参照）、個々の光ファイバについての配光特性を容易に制御することができるので、照明装置全体の配光特性の制御性がさらに向上し得る。また、本実施形態５の構成により、ＴｉＯ２粒子を含むような光拡散構造が含まれていない光ファイバを使用して、照明装置の配光特性を制御することが可能となる。
【００４０】
（実施形態６）
図１１において、本発明の実施形態６による照明装置が模式的に図解されている。図１１は照明装置の一部が切除された状態を示している。実施形態１に比べて本実施形態６において特徴的なことは、光ファイバ１００の両端面のそれぞれにＧａＮ系半導体レーザ素子３００が設けられていることである。このような構成により配光特性の良好な照明装置を実現し得る。
【００４１】
また、本実施形態６においては、光ファイバ１００の両端面のそれぞれに半導体レーザ素子３００が配置されているので、高出力の照明装置を得ることができる。なお、本実施形態６においても、図１０に類似して、光ファイバ１００の端面上において半導体レーザ素子３００からのレーザ光が入射する領域以外の領域に高反射膜が設けられることが好ましい。
【００４２】
（実施形態７）
図１２において、本発明の実施形態７による照明システムが模式的なブロック図で図解されている。この照明システムは、商用電源からの１００Ｖの交流電力１２０４を直流電力に変換する交流直流変換回路１２０３を含んでいる。交直変換回路１２０３からの直流電力は、発光素子を駆動し得る電圧電流に変換する降圧回路を含む駆動回路１２０２に供給される。駆動回路１２０２からの駆動電力は、ソケット１２０１を介して点状照明装置１２００中の発光素子に供給される。その点状照明装置１２００としては、上述の実施形態１〜６における照明装置のいずれをも利用することができ、こうして本実施形態７による照明機器システムが構成され得る。
【００４３】
ここで発光素子の駆動方法としては、パルス電流で駆動することが好ましい。なぜならば、パルス電流にて発光素子を駆動すれば、直流電流で駆動した場合に比べて発光素子おける発熱の影響を軽減することができ、高光出力の照明システムにすることができるからである。
【００４４】
（実施形態８）
図１３は、図１２に類似しているが、本発明の実施形態８による照明システムを図解している。図１３（ａ）は、図１３（ｂ）のブロック図に示された照明システム中の保護球殻１０１の外周面上に形成された透明導電性パターン１３００を模式的に示している。
【００４５】
すなわち、本実施形態８の照明システムにおいては、赤色（Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）、青色（（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６：Ｅｕ２＋）からなる蛍光体が分散されたアクリル樹脂の保護球殻１０１の外周面上に、例えば酸化錫、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などからなる透明導電膜パターン１３００が形成されている。したがって、外部からの衝撃によってアクリル樹脂殻１０１が破損した場合には、この透明導電膜パターン１３００も同時に破断する。
【００４６】
そして、透明導電膜パターン１３００の破断を検知し得るようにそのパターンに接続された検知回路が、駆動回路１２０２内に含められている。この検知回路は、例えば透明導電膜パターン１３００に流された微弱の電流をモニタし、その電流の途絶によって保護球殻１０１の破断を検知し得る。検知回路が保護球殻１０１の破断を検知した場合には、駆動回路１２０２は発光素子に印加されるべき電力の供給を停止する。
【００４７】
すなわち、本実施形態８の照明システムにおいては、発光素子として半導体レーザ素子を用いた場合のように、目に対する安全性の観点から問題となるコヒーレント性の高い光が空間へ直接放射されることを防止し得る。なお、保護球殻１０１が破断した場合に、発光素子に印加される電力の供給は完全に停止されてもよいが、発光素子からの放射光量が目に対する安全上問題のないレベルまで低下するように駆動電力を制御してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、半導体発光素子と蛍光体を利用しながらも容易に配光特性を制御し得る照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による照明装置の一部を切除した状態を示す模式図である。
【図２】（ａ）は実施形態１における光ファイバの一部を示す模式的な斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図３】本発明の実施形態２による照明装置の一部を切除した状態を示す模式図である。
【図４】実施形態２の照明装置における放射光強度分布を示す模式図である。
【図５】本発明の実施形態３による照明装置の一部を切除した状態を示す模式図である。
【図６】本発明の実施形態４による照明装置に用いられる光ファイバ構造の一例を示す模式的な断面図である。
【図７】実施形態４による照明装置に用いられる光ファイバ構造の他の例を示す模式的な断面図である。
【図８】本発明の実施形態５による照明装置の一部を切除した状態を示す模式図である。
【図９】（ａ）は実施形態５における光ファイバを示す模式的な斜視図であり、（ｂ）はその光ファイバの構造を示す模式的な断面図である。
【図１０】（ａ）は実施形態５における光ファイバと発光素子との結合部を示す模式的な斜視図であり、（ｂ）その光ファイバの端面図である。
【図１１】本発明の実施形態６による照明装置の一部を切除した状態を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施形態７による照明システムを示す模式的なブロック図である。
【図１３】（ａ）は本発明の実施形態７による照明システムに含まれる保護球殻の上面図であり、（ｂ）はその照明システムのブロック図である。
【符号の説明】
１００  光ファイバ、１０１  アクリル樹脂、１０２  ＧａＮ系発光ダイオード素子、１０３  配線、１０４  光学反射膜、１０５  端子、１０６  樹脂、２００  コア、２０１  光拡散構造、２０２  クラッド、３００  ＧａＮ系半導体レーザ素子、４００、４０１、４０２  光強度分布、９００  光ファイバ、１０００  光学反射膜、１２００  照明装置、１２０１  ソケット、１２０２  駆動回路、１２０３  交流直流変換回路、１２０４  交流電力、１３００  透明導電性膜パターン。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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