(57)【要約】【課題】放熱性が高く、長寿命な発光装置を提供する。【解決手段】発光装置１は、発光素子３と、発光素子３の光を励起光として光を発する波長変換部材５とを有する。波長変換部材５の側面には逆テーパーが設けられており、入射部５０１の面積は出射部５０２の面積よりも小さい。入射部５０１の面積を小さくすることによって生じた空間領域５０４に熱伝導率の高い材料を入り込ませて、波長変換部材５の入射部５０１の周囲の放熱効果が重点的に高くなる構造としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を吸収して発光する発光体を備えた発光装置であって、
前記発光体は柱状に成形され、かつ一方の主面から光を出射するものであり、
前記発光体の前記一方の主面に対向する他方の主面の面積は、前記一方の主面の面積よりも小さく、
前記他方の主面の面積を小さくすることにより生じた空間領域に、前記発光体よりも放熱性の高い物質が存在する、
ことを特徴とした発光装置。
【請求項２】
前記発光体は、蛍光物質の単一の単結晶体もしくは単一の多結晶体からなることを特徴とした、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記発光体は、前記他方の主面から一方の主面にかけて段階的にその断面積が大きくなることを特徴とした請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記発光体の前記一方の主面および前記他方の主面以外の少なくとも一部の側面が、前記他方の主面から一方の主面にかけて逆テーパー状に形成されていることを特徴とした、請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
【請求項５】
前記発光体に、前記一方の主面とその断面積が等しい部分が存在することを特徴とした、請求項１〜４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項６】
前記発光体は、前記一方の主面以外から前記励起光が入射することを特徴とした請求項１〜５のいずれかに記載の発光装置。
【請求項７】
前記発光体は、前記他方の主面から前記励起光が入射することを特徴とした請求項６に記載の発光装置。
【請求項８】
前記一方の主面に光取り出し部を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の発光装置。
【請求項９】
前記発光体は、前記励起光が入射する面と前記一方の主面とを除く面に反射材が被覆されていることを特徴とした請求項１〜８のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１０】
前記反射材は、屈折率の異なる材料からなる多層膜を含むことを特徴とした請求項１〜９のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１１】
前記発光体の前記一方の主面に平行な断面が四角形であることを特徴とした請求項１〜１０のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１２】
前記発光体の前記励起光が入射する面に、ダイクロイックミラーを設けたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１３】
前記励起光が、前記発光体の外部にある光源から出射される光であることを特徴とした、請求項１〜１２のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１４】
前記発光体が、蛍光物質をバインダーに分散させたものであり、前記蛍光物質の濃度が、前記一方の主面側において前記他方の主面側よりも高くなっていることを特徴とした請求項１または請求項３〜１３のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１５】
前記発光体が、蛍光物質の単一の単結晶体もしくは単一の多結晶体からなり、前記蛍光物質の付活剤濃度が、前記一方の主面側において前記他方の主面側よりも高くなっていることを特徴とした請求項１または請求項３〜１３のいずれかに記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、白色ＬＥＤに代表されるように、励起光源とその励起光を吸収して発光する波長変換部材とを組み合わせた発光素子が多く利用されている。このような発光素子は、励起光源からの光と、その光によって励起された波長変換部材からの発光が混ざり合うことにより、励起光とは異なった色の光を放射する。波長変換部材としては、蛍光体の粉末を透光性のある樹脂や無機材料に分散させたものや、蛍光体の単結晶をそのまま用いるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の発光装置は、単結晶蛍光体を青色の光を発光する発光素子の上部に配置し、この発光素子自体の発光光と、蛍光体が発する黄色光との混合により白色光を放射するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０５７３３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように構成された発光装置では、発光素子からの励起光が波長変換部材の入射面付近から徐々に吸収されるのに伴い、入射面付近で局所的に発熱が起きてしまう。また、波長変換部材による発光の一部が、波長変換部材から放出されずにとどまってしまい、それが再び波長変換部材に吸収されることによっても発熱が起きる。そのため、局所的な発熱によって部材の劣化が起き、発光装置の寿命が制限されることが問題であった。
【０００６】
本開示は、放熱性をより高くすることによって、長寿命化を実現することが可能な、発光装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願に開示された一実施形態に係る発光装置は、励起光を吸収して発光する発光体を備え、
発光体は、柱状に成形され、かつ一方の主面から光を出射するものであり、
発光体の一方の主面に対向する他方の主面の面積は、一方の主面の面積よりも小さく、
他方の主面の面積を小さくすることにより生じた空間領域に、発光体よりも放熱性の高い物質が存在する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、発光素子の長寿命化を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の垂直方向の断面図である。
【図２】図１に示す発光装置における波長変換部材の垂直方向の断面図である。
【図３】図２に示す波長変換部材において光取り出し部を（ａ）四角錐構造、（ｂ）回折格子とした際の垂直方向の断面図である。
【図４】波長変換部材の形状による光取り出し効率の変化のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】シミュレーションに用いた波長変換部材の垂直方向の断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の垂直方向の断面図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る発光装置の垂直方向の断面図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る発光装置の垂直方向の断面図である。
【図９】４側面にテーパーを設けた波長変換部材の光取り出し効率のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１０】図８に示す発光装置における波長変換部材の変形例の垂直方向の断面図である。
【図１１】本発明の第５の実施の形態に係る発光装置の垂直方向の断面図である。
【図１２】図１１に示す発光装置における波長変換部材の垂直方向の断面図である。
【図１３】本発明の第６の実施の形態に係る発光装置の垂直方向の断面図である。
【図１４】本発明の第７の実施の形態に係る発光装置の垂直方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本開示による実施形態を説明する。
【００１１】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について、図１、図２および図３を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置１の垂直方向の断面図である。図２は図１に示す発光装置を構成する波長変換部材の垂直方向の断面図である。図３は図２に示す波長変換部材の変形例の垂直方向の断面図である。
【００１３】
図１に示すように、発光装置１は、基板２と、基板２に支持された発光素子３と、基板２上に形成された支持体４と、支持体４に内包されかつ発光素子３を覆うように設けられた波長変換部材５と、光取り出し部６と、を備えている。
【００１４】
基板２は、例えば白いセラミック板からなるが、波長変換部材５の発光を反射するようなものであれば、その材質はこれに限らない。
【００１５】
発光素子３は、例えば青色や紫外域の光を発するＧａＮ系半導体化合物を用いたＬＥＤやレーザーからなり、基板２に実装されている。
【００１６】
支持体４は、基板２上に形成され、その中央部に開口部４Ａが形成されている。開口部４Ａは、略四角錐台をくりぬいた形状であり、基板２側から上部に向かって徐々に開口幅が大きくなるよう、逆テーパーが設けられている。開口部４Ａの底部には基板２に実装された発光素子３が露出している。支持体４は、波長変換部材５よりも熱伝導率の高い材料を用いて形成されている。より具体的には、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、ＳｉＡｌＯＮ（サイアロン）、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、銀、銅、金、アルミニウム、シリコン、真鍮、ニッケル、鉄、白金、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、アルミナ、窒化ケイ素など、またはこれらの複合物の中から、波長変換部材５よりも熱伝導率の高い材料を選択して用いることができる。
【００１７】
波長変換部材５は、支持体４の開口部４Ａを埋めるように設けられている。したがって、波長変換部材５は、開口部４Ａの形状と同様に、略四角錐台形状で、基板２側から上部に向かって徐々に水平方向の断面積が大きくなるよう、逆テーパーが設けられている。
【００１８】
このように波長変換部材５の側面を逆テーパー形状とすることで、波長変換部材５の底部の周囲を中心に図１の破線で示した空間領域５０４が形成され、かつ支持体４の開口部４Ａの内面を波長変換部材５の側面に合致させる逆テーパー形状とすることで、空間領域５０４に支持体４を構成する熱伝導率の高い材料を入り込ませて、波長変換部材５の底部の周囲の放熱効果が重点的に高くなる構造としている。
【００１９】
波長変換部材５の底部中央には、発光素子３が埋め込まれており、発光素子３が発光することで、波長変換部材５の上面である光出射面から光が出射される。すなわち、本実施の形態においては、波長変換部材５の底部（発光素子３の近傍）が光の入射部５０１であり、光出射面が発光の出射部５０２となる。
【００２０】
また、本実施の形態では、波長変換部材５は、図２のように、蛍光体５１の粉末を樹脂や無機材料などのバインダー５２に分散させたものである。
【００２１】
蛍光体５１は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（半導体微粒子）を包含する。
【００２２】
本実施の形態では、蛍光体５１は黄色に発光する蛍光材料である。より具体的には、例えば、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、ＣａＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕ２＋、Ｃａ３Ｓｃ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅ３＋、ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｃｅ３＋、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ２＋、ＭＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕ２＋（ＭはＢａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ７（ＳｉＯ３）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋（ＭはＢａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）で表される組成を有する。
【００２３】
また、蛍光体５１は青色に発光する蛍光材料であってもよい。より具体的には、例えば、Ｍ１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋（Ｍは、Ｂａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋、Ｍ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ２＋（Ｍは、Ｂａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ５ＳｉＯ４Ｃｌ６：Ｅｕ２＋（Ｍは、Ｂａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）で表される組成を有する。
【００２４】
また、蛍光体５１は緑色に発光する蛍光材料であってもよい。より具体的には、例えば、Ｍ２ＭｇＳｉ２Ｏ７：Ｅｕ２＋（Ｍは、Ｂａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＳｒＳｉ５ＡｌＯ２Ｎ７：Ｅｕ２＋、ＳｒＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕ２＋、ＢａＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ２＋、ＢａＺｒＳｉ３Ｏ９：Ｅｕ２＋、Ｍ２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋（Ｍは、Ｂａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＳｉ３Ｏ４Ｎ２：Ｅｕ２＋、Ｃａ８Ｍｇ（ＳｉＯ４）４Ｃｌ２：Ｅｕ２＋、Ｃａ３ＳｉＯ４Ｃｌ２：Ｅｕ２＋、ＣａＳｉ１２−（ｍ＋ｎ）Ａｌ（ｍ＋ｎ）ＯｎＮ１６−ｎ：Ｃｅ３＋、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ２＋で表される組成を有する。
【００２５】
また、蛍光体５１は赤色に発光する蛍光材料であってもよい。より具体的には、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋、ＳｒＡｌＳｉ４Ｏ７：Ｅｕ２＋、Ｍ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋（Ｍは、Ｂａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉＮ２：Ｅｕ２＋（Ｍは、Ｂａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｙｂ２＋（Ｍは、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋，Ｓｍ３＋、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋，Ｓｍ３＋、ＣａＷＯ４：Ｌｉ１＋，Ｅｕ３＋，Ｓｍ３＋、Ｍ２ＳｉＳ４：Ｅｕ２＋（ＭはＢａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ３ＳｉＯ５：Ｅｕ２＋（ＭはＢａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）で表される組成を有する。
【００２６】
なお、上記の蛍光体５１の組成のうち、一部の原子は結晶構造状の異なる位置を占めることがある。
【００２７】
蛍光体５１を分散させるバインダー５２は、例えば樹脂やガラス、あるいは無機材料としてフッ化マグネシウム、フッ化リチウム、フッ化カルシウム、石英、ガラス、樹脂、酸化マグネシウム、酸化インジウムスズ、二酸化チタン、窒化ケイ素、五酸化タンタル、ジルコニア、セレン化亜鉛、硫化亜鉛を用いることができる。
【００２８】
また、波長変換部材５は、蛍光体５１の単一の単結晶体もしくは単一の多結晶体からなるものであってもよい。この場合、黄色ならばＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、緑色ならばＳｒＳｉ５ＡｌＯ２Ｎ７：Ｅｕ２＋、赤色ならばＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋などの結晶体を、発光させたい色に応じて選択する。波長変換部材５として単一の単結晶体もしくは単一の多結晶体構造とすることで、バインダー５２が不要となり、蛍光体５１とバインダー５２の屈折率の差によって両者の界面で光の散乱が起きることを排除できる効果がある。
【００２９】
波長変換部材５において、支持体４の開口部４Ａ内面と接している４面は、反射率の高い物質をコーティングした、反射面５０３となっている。反射率の高い物質としては、銀、アルミニウムなどを用いることができる。
【００３０】
反射面５０３として、多層ミラー構造を採用しても良い。より具体的には、多層ミラー構造は、屈折率の高い物質で構成された高屈折率層と、屈折率の低い物質で構成された低屈折率層とを交互に積層する構成からなる。高屈折率層の材料としては、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、窒化ケイ素などを用いることができる。また、低屈折率層の材料としては、酸化ケイ素、フッ化マグネシウムなどを用いることができる。
【００３１】
光取り出し部６はマイクロレンズアレイ構造であり、波長変換部材５の光出射面（出射部５０２）に設けられている。また、光取り出し部６は、図３（ａ）に示すような底面の直径が数μｍ程度の四角錐構造や、図３（ｂ）に示すような一つの大きさが数μｍ以内の回折格子、もしくはランダムな凹凸を多数設けた構造とすることもできる。
【００３２】
光取り出し部６は、バインダー５２の屈折率と同じか、それよりも高い屈折率を有する物質で形成するのが好ましい。また、波長変換部材５を蛍光体５１の単一の単結晶体もしくは単一の多結晶体で形成した場合には、光取り出し部６は、蛍光体５１の屈折率と同じか、それよりも高い屈折率を有する物質で形成するのが好ましい。光取り出し部６は、波長変換部材５の光出射面を成形することで波長変換部材５と一体として形成してもよい。また、波長変換部材５と別の材料でマイクロレンズアレイや四角錐、回折格子、凸部などを光出射面に成形してもよい。例えば、マイクロレンズアレイなどの構造をシート上に形成したものを波長変換部材５の光出射面に固着させたり、樹脂等の材料を型で押してインプリントしたりすることで光取り出し部６を形成してもよい。
【００３３】
以上のように構成された発光装置１において、発光素子３を駆動することで発生する励起光が波長変換部材５の入射部５０１に入射する。波長変換部材５に入射した光のうちの一部は蛍光体５１に吸収されて波長変換され、出射部５０２から出射される。波長変換部材５において、入射部５０１近傍を中心に発生した熱は熱伝導性の高い支持体４を介して外部に放出される。
【００３４】
また、波長変換部材５の側面に逆テーパーや反射面５０３を設けることによって、光取り出し効率が高まる。
【００３５】
図４（ａ）〜（ｅ）は、波長変換部材のテーパー角と、反射面の反射率を変化させた場合の光取り出し効率の変化を光線追跡によって算出したシミュレーショングラフである。ここで光取り出し効率とは、入射光強度に対する出射光の光強度を、百分率で表したものである。図中、６０、７０、８０、９０という数値を付記した曲線は、光取り出し効率が６０％、７０％、８０％、９０％である等高線を示している。
【００３６】
図５に、シミュレーションを行った波長変換部材７の垂直方向の断面図を示す。波長変換部材７は、略四角錐台形状であって、４側面のうち２側面に角度αの逆テーパーが設けられている。そのため、上面は正方形で、底面は長方形となっている。シミュレーションにおいては、波長変換部材７の底面を光の入射部７０１とし、上面を光の出射部７０２とした。波長変換部材７の上面と底面以外の四面は、反射率の高い材料をコーティングした反射面７０３となっている。波長変換部材７の出射部７０２には、光取り出し部６としてマイクロレンズアレイを設けた。図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ波長変換部材のアスペクト比が０．５、１、２、５、１０である場合の結果に対応している。ここで、アスペクト比とは、図５において波長変換部材７の垂直方向の高さＨを、光が出射する面（出射部７０２）の一辺の長さＲで割ったものと定義する。シミュレーションの際には、励起光は波長変換部材の高さの１／４まで進んだ地点で波長変換部材７に吸収され、吸収された地点から波長変換された光が等方発光するというモデルを用いた。また、波長変換部材７の屈折率は全部分で１．８であると設定した。なお、励起光が波長変換部材７に吸収される地点を、光入射面近傍または波長変換部材７の高さの１／２まで進んだ地点と設定してシミュレーションを行っても、結果は図４に示したものの±５％以内に収まっていた。反射面７０３においては、臨界角以下の入射角の光の反射率はあらゆる入射角度で一定であるとして計算し、臨界角を超える入射角の光の反射率は１００％であるとした。
【００３７】
図４（ｂ）において、反射面７０３の反射率が９８％のとき、テーパー角が０°では光取り出し効率が７５％程度であるが、テーパー角が２°では７８％程度、４°では８２％程度となっている。このことから、テーパー角が大きいほど、光取り出し効率が上昇していることがわかる。これは、波長変換部材７側面のテーパー角が大きいほど、光出射面へと光を誘導するように反射しやすくなるためである。
【００３８】
次に、図４（ａ）〜（ｃ）を比較すると、テーパー角が４°の波長変換部材７において、反射面７０３の反射率が９８％であるとき、アスペクト比が０．５（図４（ａ））では光取り出し効率は８５％程度であるが、アスペクト比が１（図４（ｂ））では８２％程度、２（図４（ｃ））では７９％程度まで減少してしまう。これは、波長変換部材７が垂直方向に長くなるにつれて、光取り出し効率が減少することを意味している。波長変換部材７が長くなると、光が出射部に到達するまでに長い距離を伝播する必要があるため、途中で散乱されて吸収される確率が高くなるからである。
【００３９】
以上の計算結果より、波長変換部材のテーパー角が大きいほど、アスペクト比が小さいほど、または反射面の反射率が高いほど光取り出し効率が上昇することがわかる。光取り出し効率の上昇により、波長変換部材内に光がとどまりにくくなる。したがって、波長変換部材による光の再吸収も起きにくくなり、それに伴う発熱も抑制されることになる。
【００４０】
（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、波長変換部材５を逆テーパー形状とすることで、局所的に熱が蓄積されやすい入射部５０１の周囲に、支持体４を構成する熱伝導率の高い材料が重点的に配置される構成であるので、入射部５０１の熱を効果的に放出することができる。特に、波長変換部材５を逆テーパー形状とすることによって生じた空間領域５０４に、熱伝導率の高い支持体４が入り込む構造であるので、発光装置１本体を大型化することなく放熱効果を高めることができる。
【００４１】
また、波長変換部材５に反射面５０３を設けることにより、波長変換部材５による発光が支持体４によって吸収されることを防いでいる。また、波長変換部材５による発光を出射部５０２へ誘導することにより、波長変換部材５内に光がとどまることを抑制している。それによって、支持体４や波長変換部材５による発光の吸収も抑制されるので、発光の吸収に伴う発熱を防止する効果がある。反射面５０３には、支持体４を透明材料で形成した場合に、波長変換部材５による発光が外部へ放出されることを防ぐことによって、発光を効率的に活用する効果もある。
【００４２】
また、反射面５０３として多層ミラー構造を採用した場合には、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層する構造により、光の干渉効果を利用して、９５％を超える高い反射率を得ることが可能になる。この構成により、波長変換部材５による発光を出射部５０２へさらに誘導しやすくなるので、発光が波長変換部材５内によりとどまりにくくなり、波長変換部材５や支持体４によって吸収される可能性をさらに低減することができる。
【００４３】
また、波長変換部材５を蛍光体５１の単一の結晶体とした場合には、発光素子３からの励起光や波長変換部材５からの発光の拡散を抑制することができる。それにより、蛍光体５１による励起光の吸収や発光の再吸収が起こる場所を分散させることができ、熱の発生も分散させることができる。
【００４４】
また、光取り出し部６を形成することにより、波長変換部材５内で波長変換された発光が出射部５０２で反射されにくくなる。それによって、発光が波長変換部材５内にとどまりにくくなり、それに伴う発熱を抑制する効果がある。光取り出し部６は、バインダーと同じ、またはバインダーより高い屈折率を有する物質で形成すると、発光が出射部５０２でより反射されにくくなるので、さらに高い効果が得られる。波長変換部材５を蛍光体５１の単一の結晶体とした場合には、蛍光体５１と同じ、または蛍光体５１より高い屈折率を有する物質で光取り出し部６を形成することにより、同じ効果を得ることができる。
【００４５】
また、波長変換部材５が励起光を吸収することによって起きる発光は、光源から近い入射部５０１付近において起きやすく、励起光の到達しにくい出射部５０２付近では起きにくい。波長変換部材５の断面積は、上記の通り入射部５０１から出射部５０２にかけて徐々に大きくなっているため、励起光の吸収も入射部５０１から出射部５０２にかけて徐々に起こりやすくなっている。したがって、発光素子３として、ＬＥＤなどの等方発光する素子を用いた場合、励起光の吸収に伴う発熱が生じる場所を分散させる効果がある。
【００４６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について、図６を参照して説明する。図６は本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の垂直方向の断面図である。
【００４７】
本実施の形態に係る発光装置１Ａは、発光素子の発光を波長変換部材に入射して波長変換する構成は第１の実施の形態に係る発光装置１と共通するが、発光素子と波長変換部材を一体化せず、外部光源を用いることが第１の実施の形態とは異なっている。
【００４８】
以下、第１の実施の形態について説明したものと同一の機能および構成を有する発光装置１Ａの構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
【００４９】
図６に示すように、発光装置１Ａは、波長変換部材８と、光取り出し部６と、支持体４と、外部光源９とを備えて構成されている。
【００５０】
波長変換部材８の形状および材料としては、第１の実施の形態に係る波長変換部材５と同様である。したがって、波長変換部材８の底部の周囲にも空間領域５０４が存在する。
【００５１】
また、図６に示すとおり、波長変換部材８においては、支持体４の開口部４Ａ内面と接する４面を、反射面５０３としている。本実施の形態では、波長変換部材８の底面である入射部８０１に外部光源９からの励起光が入射し、波長変換部材８の上面である出射部８０２から光が出射される。
【００５２】
また、本実施の形態において、入射部８０１にダイクロイックミラー８０３を設けている。ダイクロイックミラー８０３は、外部光源９から入射部８０１に入射する励起光を透過するが、入射部８０１に到達した波長変換部材８による発光を反射するので、波長変換部材８による発光が入射部８０１から放出されることを防いでいる。ダイクロイックミラー８０３は、例えば高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層することで実現することができる。高屈折率膜と低屈折率膜の材料としては、第１の実施の形態に係る多層ミラーにおける高屈折率層および低屈折率層と同様である。
【００５３】
外部光源９としては、例えば青色や紫外域の光を発するＧａＮ系半導体化合物を用いたＬＥＤやレーザーを用いることができる。
【００５４】
以上のように構成された発光装置１Ａにおいて、外部光源９を駆動することで発生する励起光が、波長変換部材８の入射部８０１に入射する。
【００５５】
波長変換部材８に入射した光のうちの一部は蛍光体５１に吸収されて波長変換され、出射部８０２から出射される。波長変換部材８において、入射部８０１近傍を中心に発生した熱は熱伝導性の高い支持体４を介して外部に放出される。
【００５６】
（第２の実施の形態の効果）
本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の作用及び効果を享受できる。
【００５７】
また、発光素子３を波長変換部材８に埋め込まず、外部光源９を用いているため、熱の発生場所を波長変換部材８と外部光源９とに分離することができ、放熱が容易になる。
【００５８】
また、外部光源９からレンズを介して入射部８０１に励起光を面で導入した場合、等方発光する発光素子を用いた場合の第１の実施の形態と同様、励起光の吸収に伴う発熱が生じる場所を分散させることができる。
【００５９】
また、本実施の形態においては入射部８０１にダイクロイックミラー８０３を設けたことにより、入射部８０１から波長変換部材８による発光が外部に放出されることを防いでいる。また、ダイクロイックミラー８０３により波長変換部材８による発光を外部へと取り出す効率を高めることができる。つまり、発光が波長変換部材８および支持体４によって吸収されることを抑制できるので、それに伴う熱の発生を抑えることができる。
【００６０】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について、図７を参照して説明する。図７は本発明の第３の実施の形態に係る発光装置の垂直方向の断面図である。
【００６１】
本実施の形態に係る発光装置１Ｂは、発光素子の発光を波長変換部材に入射して波長変換する構成は第２の実施の形態に係る発光装置１Ａと共通するが、波長変換部材に対する発光素子の配置、および支持体と波長変換部材の構成が第２の実施の形態とは異なっている。
【００６２】
以下、第１または第２の実施の形態について説明したものと同一の機能および構成を有する発光装置１Ｂの構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
【００６３】
図７に示すように、発光装置１Ｂは、波長変換部材１０と、光取り出し部６と、支持体１１と、外部光源９とを備えて構成されている。
【００６４】
支持体１１は、平板状の土台と側壁からなり、側壁の中央部に開口部１１Ａが形成されている。開口部１１Ａは、開口部４Ａと同じ形状であるが、光を波長変換部材１０の１側面に入射させる都合上、対応する面を取り除いた構成となっている。支持体１１の材料としては、第１の実施の形態に係る支持体４と同様である。
【００６５】
波長変換部材１０の形状および材料としては、第２の実施の形態に係る波長変換部材７と同様であるが、支持体１１の開口部１１Ａ内面および土台内面と接する４面を、反射面１００３としている。反射面１００３の構成は第１の実施の形態に係る反射面５０３と同様である。
【００６６】
本実施の形態では、波長変換部材１０の１側面（励起光入射面１０００）から、波長変換部材１０の底部（入射部１００１）に外部光源９からの励起光が入射し、波長変換部材１０の上面である出射部１００２から光が出射される。なお、波長変換部材１０の励起光入射面１０００は、逆テーパーを設けた面または設けていない面のどちらであっても同様の効果が得られる。
【００６７】
また、本実施の形態において、励起光入射面１０００にダイクロイックミラー８０３を設けている。
【００６８】
以上のように構成された発光装置１Ｂにおいて、外部光源９を駆動することで発生する励起光が波長変換部材１０の入射面１０００の下部から入射部１００１に入射する。
【００６９】
波長変換部材１０に入射した光のうちの一部は蛍光体５１に吸収されて波長変換され、出射部１００２（光取り出し部６）から出射される。波長変換部材１０において、入射部１００１近傍を中心に発生した熱は熱伝導性の高い支持体１１を介して外部に放出される。
【００７０】
（第３の実施の形態の効果）
本実施の形態によっても、第２の実施の形態と同様の作用及び効果を享受できる。
【００７１】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について、図８を参照して説明する。図８は、本実施の形態に係る発光装置１Ｃの垂直方向の断面図である。
【００７２】
本実施の形態に係る発光装置１Ｃは、発光素子の発光を波長変換部材に入射して波長変換する構成は第１の実施の形態に係る発光装置１と共通するが、波長変換部材および支持体の構成が第１の実施の形態とは異なっている。以下、第１の実施の形態について説明したものと同一の機能および構成を有する発光装置１Ｃの構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
【００７３】
図８に示すように、発光装置１Ｃは、基板２と、基板２に支持された発光素子３と、基板２上に形成された支持体１２と、支持体１２に内包されかつ発光素子３を覆うように設けられた波長変換部材１３と、光取り出し部６と、を備えている。
【００７４】
支持体１２は、基板２上に形成され、その中央部に開口部１２Ａが形成されている。開口部１２Ａは、下部が略四角錐台をくりぬいた形状であり、基板２側から上部に向かって徐々に開口幅が大きくなるよう、逆テーパーが設けられている。開口部１２Ａの上部は略四角柱をくりぬいた形状となっており、逆テーパーは設けられていない。支持体１２の材料としては、第１の実施の形態に係る支持体４と同様である。
【００７５】
波長変換部材１３は、支持体１２の開口部１２Ａを埋めるように設けられている。したがって、波長変換部材１３は、開口部１２Ａの形状と同様に、下部が略四角錐台形状で、基板２側から上部に向かって徐々に水平方向の断面積が大きくなるよう、逆テーパーが設けられている。このように波長変換部材１３の下部を逆テーパー形状とすることで、波長変換部材１３の底部の周囲に、支持体１２を構成する熱伝導率の高い材料が重点的に配置される構造としている。
【００７６】
波長変換部材１３の底部中央には、発光素子３が埋め込まれており、発光素子３が発光することで、波長変換部材１３の上面である光出射面から光が出射される。
【００７７】
すなわち、本実施の形態においては、波長変換部材１３の底部が光の入射部１３０１であり、光出射面が発光の出射部１３０２となる。上述した通り、出射部１３０２の近傍には逆テーパーが設けられていないため、その水平方向の断面積はどの部分であっても等しい。波長変換部材１３の材料としては、第１の実施の形態に係る波長変換部材５と同様である。
【００７８】
また、図８に示すとおり、波長変換部材１３においては、支持体１２の開口部１２Ａ内面と接する４面を、反射面１３０３としている。反射面１３０３の構成は第１の実施の形態に係る反射面５０３と同様である。
【００７９】
以上のように構成された発光装置１Ｃにおいて、発光素子３を駆動することで発生する励起光が波長変換部材１３の入射部１３０１に入射する。
【００８０】
波長変換部材１３に入射した励起光のうちの一部は蛍光体５１に吸収されて波長変換され、出射部１３０２（光取り出し部６）から出射される。波長変換部材１３において、入射部１３０１近傍を中心に発生した熱は熱伝導性の高い支持体１２を介して外部に放出される。
【００８１】
図９は、波長変換部材のテーパー角と、反射面の反射率を変化させた場合の光取り出し効率の変化を、第１の実施の形態で示したものと同様の光線追跡によって算出したシミュレーショングラフである。図中、７０、８０、９０という数値を付記した曲線は、光取り出し効率が７０％、８０％、９０％である等高線を示している。シミュレーションに用いた波長変換部材は、４側面すべてに角度αの逆テーパーが設けられている以外は波長変換部材７と同様である。波長変換部材のアスペクト比は１とした。
【００８２】
図９を、計算に用いた波長変換部材のアスペクト比が同一であるが、テーパーが２側面にのみ設けられている場合のシミュレーション結果である図４（ｂ）と比較する。例えばテーパー角が４°の波長変換部材において、反射面の反射率が９８％のとき、２側面にテーパーが設けられた波長変換部材７（図４（ｂ））では光取り出し効率が８２％程度であるが、４側面全てにテーパーが設けられた波長変換部材（図９）では、８６％程度となっている。このように、テーパーが設けられた面が多いほど、光取り出し効率が上昇していることがわかる。これは、テーパーが設けられた面が多いほど、光出射面へと光を誘導するように反射しやすくなるためである。
【００８３】
以上の計算結果より、波長変換部材のテーパーが設けられた面が多いほど光取り出し効率が上昇することがわかる。光取り出し効率の上昇により、波長変換部材内に光がとどまりにくくなる。したがって、波長変換部材による光の再吸収も起きにくくなり、それに伴う発熱も抑制されることになる。
【００８４】
（第４の実施の形態の効果）
本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の作用および効果を享受できる。
【００８５】
また、波長変換部材１３の４側面全てに逆テーパーを設けたことにより、２側面に逆テーパーを設けた場合と比較して、波長変換部材１３による発光が出射部１３０２に誘導されやすくなる。それにより、発光が波長変換部材１３内にとどまりにくくなるので、発光が支持体１２や波長変換部材１３によって吸収される可能性を低減できる。その結果、発光の吸収に伴う熱の発生を抑制することができる。
【００８６】
また、波長変換部材１３において、出射部１３０２の近傍には逆テーパーを設けないことにより、出射部１３０２から放射される光の輝度分布がより均一になる効果が得られる。
【００８７】
なお、本実施の形態において、波長変換部材１３の下部から上部にかけて段階的に断面積が小さくなっている構成とすることもできる。例えば波長変換部材１３は、図１０に垂直方向の断面図を示すように、底面積が小さい四角柱のブロックと底面積が大きい四角柱のブロックを上下に接合したような柱型形状であってもよい。その場合も同様の効果を享受でき、また逆テーパーを設けないために加工がより容易である。
【００８８】
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態について、図１１および図１２を参照して説明する。図１１は、本実施の形態に係る発光装置の垂直方向の断面図である。図１２は、本実施の形態に係る波長変換部材１５の垂直方向の断面図である。
【００８９】
本実施の形態に係る発光装置１Ｄは、発光素子の発光を波長変換部材に入射して波長変換する構成は第１の実施の形態に係る発光装置１と共通するが、波長変換部材および支持体の構成が第１の実施の形態とは異なっている。
【００９０】
以下、第１の実施の形態について説明したものと同一の機能および構成を有する発光装置１Ｄの構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
【００９１】
図１１に示すように、発光装置１Ｄは、基板２と、基板２に支持された発光素子３と、基板２上に形成された支持体１４と、支持体１４に内包されかつ発光素子３を覆うように設けられた波長変換部材１５と、光取り出し部６と、を備えている。
【００９２】
支持体１４は、基板２上に形成され、その中央部に開口部１４Ａが形成されている。開口部１４Ａは、略四角柱をくりぬいた形状となっており、側面に逆テーパーは設けられていない。開口部１４Ａの底部には基板２に実装された発光素子３が露出している。支持体１４の材料としては、第１の実施の形態に係る支持体４と同様である。
【００９３】
波長変換部材１５は、支持体１４の開口部１４Ａを埋めるように設けられている。したがって、波長変換部材１５は、開口部１４Ａの形状と同様に、略四角柱形状となっている。
【００９４】
波長変換部材１５の底部中央には、発光素子３が埋め込まれており、発光素子３が発光することで、波長変換部材１５の上面である光出射面から光が出射される。すなわち、本実施の形態においては、波長変換部材１５の底部が入射部１５０１であり、光出射面が発光の出射部１５０２となる。
【００９５】
また、波長変換部材１５は、図１２に示すように蛍光体１５１の粉末をバインダー１５２に分散させて作成したものであり、蛍光体１５１の濃度が入射部１５０１付近よりも出射部１５０２付近で高くなるように、濃度勾配が設けられている。濃度勾配を設ける方法としては、例えばさまざまな濃度で蛍光体１５１をバインダー１５２に分散させた蛍光体薄板を複数枚作成し、その蛍光体薄板を濃度の低いものから順に貼り合わせることによる。蛍光体１５１およびバインダー１５２の材料としては、第１の実施の形態に係る蛍光体５１およびバインダー５２と同様である。
【００９６】
また、波長変換部材１５として、蛍光体１５１の単結晶体および多結晶体である結晶性蛍光体を用いることもできる。この場合、黄色ならばＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、緑色ならばＳｒＳｉ５ＡｌＯ２Ｎ７：Ｅｕ２＋、赤色ならばＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋などの結晶体を、発光させたい色に応じて選択する。
【００９７】
波長変換部材１５として結晶性蛍光体を用いた場合、バインダー中の蛍光体１５１の濃度を変化させるのではなく、その付活剤濃度が入射部１５０１側で低く、出射部１５０２側で高くなるように形成すればよい。
【００９８】
波長変換部材１５の、支持体１４の開口部１４Ａと接する４面は、反射率の高い物質をコーティングした、反射面１５０３となっている。反射面１５０３の構成は、第１の実施の形態における反射面５０３と同様である。
【００９９】
以上のように構成された発光装置１Ｄにおいて、発光素子３を駆動することで発生する励起光が波長変換部材１５の入射部１５０１に入射する。
【０１００】
波長変換部材１５に入射した光のうちの一部は蛍光体１５１に吸収されて波長変換され、出射部１５０２（光取り出し部６）から出射される。波長変換部材１５において、入射部１５０１近傍を中心に発生した熱は熱伝導性の高い支持体１４を介して外部に放出される。
【０１０１】
（第５の実施の形態の効果）
波長変換部材１５が励起光を吸収することによって起きる発光は、励起光の到達しやすい入射部１５０１付近において起きやすく、励起光の到達しにくい出射部１５０２付近では起きにくい。蛍光体１５１または付活剤の濃度を入射部１５０１付近で低くし、出射部１５０２付近で高くすることにより、蛍光体１５１および結晶性蛍光体による励起光の吸収の起こりやすさを均一にすることができる。それによって、励起光の吸収に伴う発熱が生じる場所を分散させることができる。
【０１０２】
なお、本実施の形態においても、支持体１４および波長変換部材１５の形状を、第１の実施の形態における支持体４および波長変換部材５と同様に逆テーパーを設けた形状とすることもできる。その場合、波長変換部材１５における蛍光体１５１や付活剤の濃度に勾配を設けたことによって熱の発生場所が分散され、支持体１４および波長変換部材１５に逆テーパーを設けた構成にすることによって、入射部１５０１の熱を効果的に放出することができるので、発光装置１Ｄにおける発熱をより抑制することができる。
【０１０３】
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態について、図１３を参照して説明する。図１３は、本実施の形態に係る発光装置１Ｅの垂直方向の断面図である。
【０１０４】
本実施の形態に係る発光装置１Ｅは、発光素子の発光を波長変換部材に入射して波長変換する構成は第１の実施の形態に係る発光装置１と共通するが、支持体の構成が第１の実施の形態とは異なっている。以下、第１の実施の形態について説明したものと同一の機能および構成を有する発光装置１Ｅの構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
【０１０５】
図１３に示すように、発光装置１Ｅは、基板２と、基板２に支持された発光素子３と、基板２上に形成された支持体１６と、支持体１６に内包されかつ発光素子３を覆うように設けられた波長変換部材５と、光取り出し部６と、を備えている。
【０１０６】
支持体１６は、基板２上に形成され、その中央部に開口部１６Ａが形成されている。開口部１６Ａは、開口部４Ａと同じ形状である。支持体１６の外周部の一部を取り除くことにより、基板２と水平な複数の平板が一定の間隔で垂直方向に並ぶように構成された、放熱部１７が形成されている。支持体１６および放熱部１７の材料としては、第１の実施の形態に係る支持体４と同様のもの、および波長変換部材５と同程度の熱伝導率を有する物質を用いることができる。放熱部１７は支持体１６と一体に形成することが望ましいが、支持体１６と別体であってもよい。
【０１０７】
以上のように構成された発光装置１Ｅにおいて、発光素子３を駆動することで発生する励起光が波長変換部材５の入射部５０１に入射する。
【０１０８】
波長変換部材５に入射した光のうちの一部は蛍光体５１に吸収されて波長変換され、出射部５０２（光取り出し部６）から出射される。波長変換部材５において、入射部５０１近傍を中心に発生した熱は、熱伝導性の高い支持体１６および放熱部１７を介して外部に放出される。
【０１０９】
（第６の実施の形態の効果）
本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の作用および効果を享受できる。
【０１１０】
また、支持体１６の外周に放熱部１７を設けたことにより、支持体１６の外周部と空気が接触する面積が増大しているので、支持体１６によって吸収された熱がより外部に放出されやすくなっている。そのため、支持体１６および放熱部１７の材料は、必ずしも波長変換部材５よりも熱伝導率の高い物質である必要はなく、波長変換部材５と同程度の熱伝導率を有する物質を用いることができるなど、材料選択の自由度が向上する。
【０１１１】
（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態について、図１４を参照して説明する。図１４は、本実施の形態に係る発光装置１Ｆの垂直方向の断面図である。
【０１１２】
本実施の形態に係る発光装置１Ｆは、発光素子の発光を波長変換部材に入射して波長変換する構成は第１の実施の形態に係る発光装置１と共通するが、支持体の構成が第１の実施の形態とは異なっている。以下、第１の実施の形態について説明したものと同一の機能および構成を有する発光装置１Ｆの構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
【０１１３】
図１４に示すように、発光装置１Ｆは、基板２と、基板２に支持された発光素子３と、基板２上に形成された支持体１８と、支持体１８に内包されかつ発光素子３を覆うように設けられた波長変換部材５と、光取り出し部６と、を備えている。
【０１１４】
支持体１８は、基板２上に形成され、その中央部に開口部１８Ａが形成されている。開口部１８Ａは、開口部４Ａと同じ形状である。支持体１８の内部はくりぬかれて空間１８Ｂが形成されており、空間１８Ｂの内部には波長変換部材５よりも熱伝導率の高い液体冷媒１９が充填されている。支持体１８の材料としては、第６の実施の形態に係る支持体１６と同様である。
【０１１５】
以上のように構成された発光装置１Ｆにおいて、発光素子３を駆動することで発生する励起光が波長変換部材５の入射部５０１に入射する。
【０１１６】
波長変換部材５に入射した光のうちの一部は蛍光体５１に吸収されて波長変換され、出射部５０２（光取り出し部６）から出射される。波長変換部材５において、入射部５０１近傍を中心に発生した熱は熱伝導性の高い支持体１８および液体冷媒１９を介して外部に放出される。
【０１１７】
（第７の実施の形態の効果）
本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の作用および効果を享受できる。
【０１１８】
また、支持体１８内部の空間１８Ｂに液体冷媒１９を充填したことにより、支持体１８によって吸収された熱が液体冷媒１９に移動し、液体冷媒１９の対流によって空間１８Ｂ内を拡散するので、発生した熱を分散させることができる。
【０１１９】
また、第６の実施の形態と同様、支持体１８の材料は、必ずしも波長変換部材５よりも熱伝導率の高い物質である必要はなく、波長変換部材５と同程度の熱伝導率を有する物質を用いることができ、材料選択の自由度が向上する。なお、本実施の形態において、液体冷媒１９を循環させ、冷却された液体冷媒１９を供給する構成とすることもできる。その場合、支持体１８に接して熱を吸収した液体冷媒１９を空間１８Ｂから取り出し、冷却された液体冷媒１９を新たに空間１８Ｂに充填することによって、常に冷却された液体冷媒１９を支持体１８に接触させることができる。それにより、支持体１８が吸収した熱をより外部に排出しやすくなる効果が得られる。
【０１２０】
以上の説明からも明らかなように、本開示は、上記各実施の形態および図示例に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲内でさまざまに設計変更が可能である。例えば、上記各実施の形態において、発光素子を波長変換部材に埋め込んでもよいし、外部光源を用いてもよい。また、一つの発光装置が複数の発光素子を有したり、複数の外部光源を用いたりする構成としてもよい。複数の発光素子または外部光源を使用した場合には、よりハイパワーの励起光を入射部から導入でき、発光装置からより強力な発光を得られる利点がある。また、上記各実施の形態において発光素子や外部光源からの励起光が入射する場所は、波長変換部材の底部中央に限らず、底部の端でもよいし、側面からでも良い。またさらに、波長変換部材の水平方向の断面は、正方形または長方形であると加工や多層膜のコーティングが容易であるので好ましいが、三角形や六角形などの多角形であっても、円形であっても同様の効果が得られる。波長変換部材の水平方向の断面が多角形である場合、逆テーパーを設ける面は、一部の面であっても、全ての面であってもよい。逆テーパーを一部の面に設ける場合は、波長変換部材の加工および反射材のコーティングが容易であるという利点がある。逆テーパーを全ての面に設けると、より光取り出し効率が高くなり、支持体や波長変換部材が発光を吸収する可能性を低減できるので、発光の吸収に伴う発熱をより抑制することができる。また、逆テーパーを設ける角度は、全ての面で同一であっても、面によって異なっていても、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本開示による発光素子は、照明やプロジェクタに使用される光源に有用である。
【符号の説明】
【０１２２】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ    発光装置
２    基板
３    発光素子
４，１１，１２，１４，１６，１８    支持体
４Ａ，１１Ａ，１２Ａ，１４Ａ，１６Ａ，１８Ａ    開口部
５，７，８，１０，１３，１５    波長変換部材
５０１，７０１，８０１，１００１，１３０１，１５０１    入射部
５０２，７０２，８０２，１００２，１３０２，１５０２    出射部
５０３，７０３，１００３，１３０３，１５０３    反射面
５０４    空間領域
６    光取り出し部
９    外部光源
【図４】
2016119361.tif 000003
【図９】
2016119361.tif 000004
【図１】
2016119361.tif 000005
【図２】
2016119361.tif 000006
【図３】
2016119361.tif 000007
【図５】
2016119361.tif 000008
【図６】
2016119361.tif 000009
【図７】
2016119361.tif 000010
【図８】
2016119361.tif 000011
【図１０】
2016119361.tif 000012
【図１１】
2016119361.tif 000013
【図１２】
2016119361.tif 000014
【図１３】
2016119361.tif 000015
【図１４】
2016119361.tif 000016