(57)【要約】【課題】  固体発光素子が放つ一次光を、より長波長の光に変換する波長変換体を用いた発光装置において、波長変換体側面からの光損失が無く、かつ放熱効率が高く、発光効率の高い発光装置を提供する【解決手段】  基板１の上に発光素子２が設けられ、発光素子２の上に波長変換体３が設けられる。波長変換体３の側面には反射体４が設けられ、反射体４の波長変換体３と反対の側には放熱板５が設けられる。放熱板５、反射体４、波長変換体３は一体となって、基板１上に設けられた支持枠６によって支持される。【選択図】      図１
2013207049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体発光素子と、前記固体発光素子上に設けられ、前記固体発光素子が放つ一次光をより長波長の光に変換する波長変換体とを備え、前記波長変換体の光出射面と概直交する側面に光反射体を備え、前記光反射体の前記波長変換体とは逆側の側面に放熱用の金属もしくはセラミックを配置したことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記波長変換体が結晶からなる、ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
【請求項３】
前記波長変換体は、蛍光層と、結晶からなる透明放熱層を含む、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記光反射体は無機粒子を樹脂に分散させたものである、ことを特徴とする請求項1乃至請求項３少なくともいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項５】
前記光反射体における無機粒子の含有率が５０ｗｔ％以上である、ことを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
前記光反射体は、セラミックからなる光反射板と、透明もしくは無機粒子を含む樹脂からなる、ことを特徴とする請求項1乃至請求項５少なくともいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項７】
前記波長変換体の後段に、一定の条件を満たす光を透過し、前記条件を満たさない光を反射する光学フィルタを有し、前記光学フィルタで反射された光の少なくとも一部が前記波長変換体に戻る、ことを特徴とする請求項1乃至請求項６少なくともいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項８】
前記光学フィルタは反射型偏光子である、ことを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記光学フィルタは一定の入射角度内の光を透過し、それ以外の入射角度の光を反射する角度フィルタである、ことを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記固体発光素子と前記波長変換体の間に、固体発光素子が放つ一次光を透過し、波長変換体が放つ長波長の光を反射する波長フィルタを有することを特徴とする、請求項１乃至９少なくともいずれか一項に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長変換体を用いた発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源としてＬＥＤ（Lｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）を利用したプロジェクタが注目されている。このようなプロジェクタでは、カラー画像を表示するために、赤色、緑色および青色のそれぞれの光を出射する複数の光源を有していることが多い。
【０００３】
しかしながら、緑色ＬＥＤは、青色および赤色ＬＥＤと比べて効率が低く、最大出力値も低い。このため、プロジェクタの明るさは緑色ＬＥＤの出力で制限されている。そこで、緑色光源として、青色ＬＥＤのような高出力な励起光を出射できるＬＥＤと、そのＬＥＤからの励起光によって緑色の蛍光を発する蛍光体とを有する蛍光光源を利用することが考えられている。すなわち、蛍光体の結晶や、蛍光体粉末とバインダなどからなる蛍光体層に励起光を入射し、蛍光を放射させている。この場合、原理上、蛍光体において励起エネルギーの一部が熱となり、蛍光体の温度を上昇させる。その結果、蛍光体の変換効率が低下する。また、蛍光体から放射される蛍光は、等方的に出射されるため、一部は蛍光体の側面から放出され損失となる。これらの問題を解決するために、いくつかの技術が提案されている。
【０００４】
例えば特許文献１に、その技術が開示されている。図１２は、この光源装置を示す断面図である。基板１０１の上に発光素子１０２が設けられ、その上面に接して波長変換体１０３が設けられている。波長変換体１０３および発光素子１０２の側面は、光反射性樹脂１０４に覆われている。光反射性樹脂１０４はシリコーンやエポキシなどの樹脂に、酸化チタン、アルミナなどの反射性物質を含有したものである。また基板１０１と発光素子１０２とは導電部材１０５によって電気的に接続されている。
【０００５】
ここで波長変換体１０３の下面は、発光素子１０２の上面よりも大きい面積に形成されている。また波長変換体１０３の側面には傾斜部１０６が設けられている。この構成では、波長変換体１０３の下面の一部が光反射性樹脂１０４に接触する。また側面が傾斜していることにより、側面が垂直な場合よりも側面の面積が大きくなっている。このため放熱経路である光反射性樹脂１０４と波長変換体１０３の接触面積が大きくなり、放熱効率が向上する。また光反射性樹脂１０４が蛍光を反射することにより、側面からの放射による蛍光の損失も低減されている。
【０００６】
また特許文献２には蛍光体の側面に金属コーティングによる反射膜を設ける技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２７２８４７号公報
【特許文献２】特開２００８−  ４７５３９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、従来の技術には下記の問題点があった。
【０００９】
特許文献１の問題点は、放熱効率が不十分なことである。この技術では、波長変換体から基板までの放熱経路が光反射性樹脂のみによって形成されている。特許文献１で開示されているように、光反射性樹脂の熱伝導率はせいぜい、数Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。このため、基板までの熱伝達が十分には行われていなかった。
【００１０】
また、特許文献２の技術の問題点は、波長変換体側面からの光損失が解消されていないことである。一般に可視光に対しては金属の反射率はそれほど高くない。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、波長変換体側面からの光損失が無く、かつ放熱効率が高く、発光効率の高い発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記のような課題を解決するため、本願発明の発光装置は、固体発光素子と、前記固体発光素子上に設けられ、前記固体発光素子が放つ一次光をより長波長の光に変換する波長変換体とを備え、前記波長変換体の光出射面と概直交する側面に光反射体を備え、前記光反射体の前記波長変換体とは逆側の側面に放熱用の金属もしくはセラミックを配置している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の構成によれば、波長変換体側面からの光の放出を防ぎ、損失を低減できる。また、高い放熱性も実現できる。これにより発光効率の高い発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明第１の実施の形態における発光装置を示す断面図である。
【図２】本発明第１の実施の形態における反射体の構造を示す断面図である。
【図３】本発明第２の実施の形態における発光装置を示す断面図である。
【図４】本発明第３の実施の形態における発光装置を示す断面図である。
【図５】本発明第４の実施の形態における発光装置を示す断面図である。
【図６】本発明第５の実施の形態における発光装置を示す断面図である。
【図７】本発明第６の実施の形態における発光装置を示す断面図である。
【図８】本発明第７の実施の形態における発光装置を示す断面図である。
【図９】本発明第８の実施の形態における発光装置を示す断面図である。
【図１０】本発明第３の実施の形態における発光装置の変形例を示す断面図である。
【図１１】本発明第３の実施の形態における発光装置の別の変形例を示す断面図である。
【図１２】従来の発光装置の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図1に示す発光装置は、基板１、発光素子２、波長変換体３、光反射体４、放熱板５、支持枠６からなっている。基板１の上に発光素子２が設けられ、発光素子２の上に波長変換体３が設けられる。波長変換体３の側面には反射体４が設けられ、反射体４の波長変換体３と反対の側には放熱板５が設けられる。放熱板５、反射体４、波長変換体３は一体となって、基板１上に設けられた支持枠６によって支持される。なお図１において、基板１以外の発光素子２を取り囲む領域は空間となっている。
【００１６】
基板１、および放熱板５、支持枠６は、熱伝導性の良い材質から構成される。一例として、Ｃｕ、Ａｌとその合金、セラミックのＡｌＮなどが挙げられる。
【００１７】
発光素子２にはＬＥＤ、レーザダイオードなどが好適である。また波長変換により緑色や赤色の光を得るには、近紫外から青色の光を放出する発光体が好適である。例えば波長４５０ｎｍのＬＥＤは広く普及しており、容易に入手することができる。
【００１８】
波長変換体３は、蛍光体の結晶や、蛍光体粉末とバインダからなる。蛍光体は所望する波長の光が得られるように適宜選定される。例えば、緑色の蛍光を得るには、βサイアロン（Ｓｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｎからなる化合物）にＥｕを添加したもの、ＺｎＳｉＯ４:Ｍｎなどのシリケート系化合物などが好適である。また赤色の場合は（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ３、ＣａＡｌＳｉ（ＯＮ）3：Ｅｕなどが用いられる。
【００１９】
図２は反射体４近傍の拡大図である。反射体４は樹脂７ａに、光反射性で、かつ熱伝導性を高めるフィラー８を分散したものである。樹脂としてはシリコーン、エポキシ、ウレタン、アクリルなど、またフィラー８としてはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＡｌＮ、ＭｇＯなどを用いることができる。高い熱伝導率を得るために、フィラー８の濃度は５０ｗｔ％以上であることが望ましく、さらに望ましくは９０ｗｔ％以上である。このような濃度とすることにより例えば９０％以上の高い反射率と数〜十数Ｗ／（ｍ・Ｋ）の高い熱伝導率を得ることができる。また、反射体の外側にはさらに熱伝導率の高い金属もしくはセラミックが配置されている。このため特許文献１のように光反射性樹脂のみで波長変換体から基板までの熱伝導を行うものに比べて、放熱性を高めることができる。
【００２０】
次に、本実施の形態における発光装置の動作について説明する。まず、発光素子２から放出された光が、波長変換体３へ入射し、蛍光体を励起する。励起された蛍光体は蛍光を発する。その一部は出射面（基板１と反対方向の面）へ向かい出射する。また一部の光は波長変換体３の横方向へ進むが、光反射体４で反射され、中央方向へ戻る。中央方向へ戻ってきた光は波長変換体３内で散乱され、その一部が出射面から出射される。一部の光は散乱により反射体４に向かい、反射して中央方向に戻る。この現象が繰り返されることにより、出射面から出射される光の量は、反射体４が無い場合に比べ増加する。
【００２１】
ところで、波長変換体３が結晶、すなわち多結晶もしくは単結晶であった場合には、反射体４の効果がさらに顕著となる。その理由は下記の通りである。一般に、結晶は非晶質に比べ屈折率が高い。屈折率が高いと、空気層との界面で全反射される光の割合が多くなる。さらに結晶の場合、蛍光体粉末をバインダに分散させたものに比べて、光の散乱が少ない。このため、表面で全反射された光が角度を変えずに全反射を繰り返して横方向に伝播することが多くなる。このため側面方向に向かう光の量も増え、反射体４が無い場合、多くが損失になってしまう。一方で、反射体４を設けた場合にはこの光は中央方向に反射され、最終的に出射面から放射されるため、出射光量が増加することになる。
【００２２】
以上述べたように、本実施の形態によれば、波長変換体３の側面から光が放射され、損失となることを防ぐことが可能となる。また波長変換体３で発生した熱は反射体４に伝達し、さらに隣接する放熱板５へと伝達されるため、熱による発光効率の低下も防ぐことができる。
（第２の実施形態）
図３は本発明第２の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態では、反射体４が、波長変換体３および放熱板５に対し接着性を持たない樹脂７ｂとフィラー８からなっている。樹脂７ｂが接着性を持たないため、反射体４と波長変換体３の間、および反射体４と放熱板５の間に接着層９を設けている。ここで使われる樹脂７ｂの例としては、液晶ポリマーや、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミドなどが挙げられる。また接着層９としては極力熱伝導率の高いものが用いられる。
（第３の実施形態）
図４は本発明第３の実施の形態を示す断面図である。本発明では反射体４として高反射セラミック１０を用いている。高反射セラミック１０は金属を凌駕する高い光反射率と、数十Ｗ／（ｍ・Ｋ）の高い熱伝導率を有する物質である。高反射率セラミック１０の例としては、例えばポーラスアルミナやアルミナにジルコニアを分散させたものなどが挙げられる。また特開２００６−２８７１３２に開示されているように、気孔の大きさおよび気孔率を適切に制御することにより、構造的に高い光反射率を得ることもできる。このため本実施の形態よれば、実施の形態１、２よりもさらに高い発光効率を得ることができる。
（第４の実施形態）
図５は本発明第４の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態では波長変換体３の光出射面に第１の透明放熱板１１、入射面に第２の透明放熱板１２を設けている。透明放熱板１１および１２は波長変換体３と面で接触している。このため、波長変換体３から反射体４への放熱効率が、実施例１〜３よりも向上する。透明放熱板１１および１２としては熱伝導率の高い、サファイア、水晶、スピネル等が好適である。透明放熱板１１、１２の側面にも反射体４が設けられているため、本実施の形態では透明放熱板１１、１２側面からの放射による光の損失も解消されている。また実施の形態３と同様、透明放熱板１１、１２が結晶の場合は、その効果が顕著となる。なお、透明放熱板は入射面、出射面どちらか一方だけに設けるだけでも良い。
（第５の実施形態）
図６は本発明第５の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態では、波長変換体３の出射面側に反射型偏光子１３を設けている。この構成とすることにより、偏光の揃った発光を得ることができる。
【００２３】
以下に、本実施の形態における発光装置の動作について説明する。波長変換体３から出射された蛍光の一部は、反射型偏光子１３に到達する。そのうち、透過軸方向に平行な偏光を有する光は透過し、残りの光は反射される。蛍光体が発する光は非偏光であることから、ここで透過される光と反射される光の割合はほぼ１：１である。反射型偏光子１３で反射された光は、波長変換体３において散乱され、一部は反射体４や光源側の界面で反射され、再び反射型偏光子１３に向かう。これらの光は非偏光となるが、反射型偏光子１３に再入射した光は、前記した反射型偏光子１３の作用により、約半分が透過し、残り半分は反射される。このプロセスが繰り返されることにより、最終的にはほぼ全ての光がある一方向の直線偏光として、出射面から取り出される。なお、図６では透明放熱板１１および１２が記載されているが。透明放熱板が無い構造であっても良い。
（第６の実施形態）
図７は本発明第６の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態では波長変換体３の出射側に角度フィルタ１４を設けている。角度フィルタ１４は、一定の入射角度内の光は透過するが、それより大きい角度の光は反射する特性を有するものである。波長変換体３から出射され、角度フィルタ１４に到達した光は、一定の角度内のものは出射面から出射され、その他は反射される。反射された光は、実施例５と同様に、波長変換体３で散乱されるか、反射体４で反射されるか、あるいは光源側界面で反射されて、再び角度フィルタ１４に入射する。このプロセスが繰り返されることにより、最終的にほぼ全ての光が一定の角度以内の方向に向けて、出射面から出射される。なお本実施の形態は、透明放熱板１１、１２の有無どちらの場合にも適用できる。また反射型偏光子１３が併設されていても良い。
（第７の実施形態）
図８は本発明第７の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態では、波長変換体３の励起光入射側に第１の波長フィルタ１５を設けている。第１の波長フィルタ１５は、発光素子２から発せられた励起光は透過するが、波長変換体３から出射された蛍光は反射する特性を有するものである。
【００２４】
以下に、本実施の形態における発光装置の動作について説明する。本実施の形態は、透明放熱板１１、１２、反射型偏光子１３や角度フィルタ１４の有無どちらの場合にも適用できるが、ここでは透明放熱板１１、１２および反射型偏光子１３が設けられている場合を例にとって説明する。
【００２５】
実施の形態５で説明したように、波長変換体３から出射された光は、一部が外部に出射され、一部が反射型偏光子１３で反射される。反射型偏光子１３で反射された光は、波長変換体３を通って散乱される。散乱された光は、一部が出射面から出射され、一部が反射体４で反射される。残った光は波長フィルタ１５に向かい、波長フィルタ１５によって反射される。これらの光は再び反射型偏光子１３に向かい、一部は出射面から出射され、残りは反射型偏光子１３で反射され、再び波長変換体３に向かう。このプロセスが繰り返されることにより、最終的にほぼ全ての光がある一方向の直線偏光として、出射面から取り出される。波長フィルタ１５がない場合、蛍光体で発生した蛍光の一部や、反射型偏光子で反射され、蛍光体に入射した蛍光の一部は、光源であるＬＥＤ側へ出射し、そこで反射される。これに対し、波長フィルタがある場合には、ここでほぼ全ての蛍光が反射される。一般に波長フィルタはＬＥＤよりも蛍光に対する反射率を高くすることが可能である。したがって、本実施の形態の構成によれば、発光効率がさらに向上する。
（第８の実施形態）
図９は本発明第８の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態では波長変換体３の出射面側に、第２の波長フィルタ１６を設けている。第２の波長フィルタは波長変換体３から出射された蛍光を透過し、発光素子２から出射された励起光を反射する特性を有する。他の実施例いずれの場合においても、波長変換体の厚さおよび励起光吸収係数によっては、一部の励起光が波長変換体３で吸収されずに、透過してしまう可能性がある。しかし、本実施の形態によれば、ほぼ全ての励起光を波長変換体３に吸収させ、発光に寄与させることができる。
【００２６】
以下、本実施の形態における発光装置の動作について説明する。実施の形態１から７までの技術を用いることにより、発光素子２から出射され、波長変換体３に吸収された光は蛍光に変換され、最終的に出射面から出射される。しかしながら、一部の励起光は波長変換体３を一度は素通りしてしまう。ところが本実施の形態では出射側に第２の波長フィルタ１６が設けられている。このため吸収されなかった励起光は第２の波長フィルタ１６で反射され、再び波長変換体３に向かうことになる。この励起光は一部が波長変換体３によって吸収され、発光に寄与する。吸収されなかった励起光は、前記のプロセスのように、再び散乱、反射され、波長変換体３内を何度も往来することになる。その過程で、波長変換体３に吸収され発光に寄与することとなる。こうしてほぼ全ての励起光が波長変換体３に吸収され、発光に寄与することになる。このため本実施の形態によれば、励起光の利用効率がさらに向上する。
【００２７】
なお、上記実施例５から８に挙げた、波長変換層の後段に反射型偏光子や角度フィルタなどの光学フィルタを設けた構成では、蛍光体と光学フィルタの間を光が何度も往復することとなる。この際、光が波長変換体を何度も通過することとなるので、光反射体の有無によって、光の利用効率が大きく異なることとなる。すなわち特にこれらの構成では、光反射体によって従来に比べて大きく効率を向上させることが可能となる。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施方法は上記した形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。
【００２９】
例えば、LEDと波長変換体の間、もしくは波長変換体と光学フィルタの間に波長板、拡散板、もしくは回折格子を入れても良い。先に述べた実施例では蛍光体により偏光が解消される、もしくは光の角度分布が再分布されるとしたが、この効果が不十分な場合には、光学フィルタで反射された光の再利用にあたって、偏光を回転させる、もしくは角度を変換する素子が必要となる。そこで波長板を用いることにより偏光を回転させることができ、また拡散板や回折格子を用いることにより、光の角度分布を変えることが可能となる。
【００３０】
また、上記の実施の形態では、蛍光体またはその上の透明放熱板の上に反射型偏光子または角度フィルタを配置した構造について説明したが、これらの光学フィルタと蛍光体の間に、レンズ、ロッドなどの光学部品を配置しても良い。
【００３１】
また、実施の形態３では、高反射セラミックの外側に金属などの放熱板５を配置した構成を挙げたが、図１０もしくは図１１のように高反射セラミックの上面または下面に金属などの放熱板を配置してもよい。さらに高反射セラミックの上面もしくは下面と、側面の両者に放熱板を配置しても良い。
【符号の説明】
【００３２】
１    基板
２    発光素子
３    波長変換体
４    光反射体
５    放熱板
６    支持枠
７ａ    樹脂
７ｂ    樹脂
８    フィラー
９    接着層
１０    高反射セラミック
１１    第１の透明放熱板
１２    第２の透明放熱板
１３    反射型偏光子
１４    角度フィルタ
１５    第１の波長フィルタ
１６    第２の波長フィルタ
１０１    基板
１０２    発光素子
１０３    波長変換体
１０４    光反射性樹脂
１０５    導電部材
１０６    傾斜部
【図１】
2013207049.tif 000003
【図２】
2013207049.tif 000004
【図３】
2013207049.tif 000005
【図４】
2013207049.tif 000006
【図５】
2013207049.tif 000007
【図６】
2013207049.tif 000008
【図７】
2013207049.tif 000009
【図８】
2013207049.tif 000010
【図９】
2013207049.tif 000011
【図１０】
2013207049.tif 000012
【図１１】
2013207049.tif 000013
【図１２】
2013207049.tif 000014