JP2019184644A - 光波長変換部材及び発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス蛍光体の排熱を効率的に行える光波長変換部材を提供する。【解決手段】本開示は、入射した光の波長を変換するように構成された光波長変換部材である。光波長変換部材は、板状のセラミックス蛍光体と、セラミックス蛍光体を支持するように構成された金属製の板状の枠体と、を有する。枠体は、セラミックス蛍光体の側面に接続される第１板部と、第１板部と平面視で重なるように配置された第２板部と、を有する。第１板部と第２板部との間には空隙が形成される。【選択図】図１

Description

本開示は、光波長変換部材及び発光装置に関する。

ヘッドランプ、各種照明機器、レーザープロジェクター等の発光装置では、発光ダイオード（ＬＥＤ、Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や、半導体レーザー（ＬＤ、Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の光を光波長変換部材である蛍光体によって波長変換することにより白色を得ている。

この蛍光体としては、樹脂系やガラス系などが知られているが、レーザーを用いた光源の高出力化に対応するため、耐久性に優れたセラミックス蛍光体が発光装置に使用されつつある（特許文献１参照）。

国際公開第２００９／０６９６７１号

蛍光体は、光の照射によって発熱する。蛍光体が発熱し高温となると、蛍光体が発する光の強度（すなわち、発光強度又は蛍光強度）等の蛍光機能が低下する温度消光が発生する。そのため、効率よく蛍光体を発光させるためには、蛍光体から外部への排熱が必要となる。

しかしながら、従来の発光装置では、セラミックス蛍光体の周囲に熱伝導率の低い樹脂又はガラスが充填される。そのため、蛍光体の排熱が不十分となって蛍光機能の低下が起きるおそれがある。

本開示の一局面は、セラミックス蛍光体の排熱を効率的に行える光波長変換部材を提供することを目的とする。

本開示の一態様は、入射した光の波長を変換するように構成された光波長変換部材である。光波長変換部材は、板状のセラミックス蛍光体と、セラミックス蛍光体を支持するように構成された金属製の板状の枠体と、を有する。枠体は、セラミックス蛍光体の側面に接続される第１板部と、第１板部と平面視で重なるように配置された第２板部と、を有する。第１板部と第２板部との間には空隙が形成される。

このような構成によれば、樹脂又はガラスよりも熱伝導率の高い金属製の枠体によって、セラミックス蛍光体の放熱性を向上できる。また、枠体が第１板部と第２板部とを有することで、セラミックス蛍光体と配線板との間に発光素子が配置されるスペースを確保しながら、熱伝導率の比較的高い配線板に枠体を直接接合することができる。さらに、第１板部と第２板部との間に空隙が形成されることによって、枠体の表面積が増加して放熱性が向上する。これらの結果、セラミックス蛍光体の排熱を効率的に行える。

本開示の一態様では、空隙は、セラミックス蛍光体の厚み方向と平行な断面において閉空間を構成してもよい。このような構成によれば、枠体の厚みの増加を抑制しつつ、セラミックス蛍光体の排熱効率を高めることができる。

本開示の一態様では、第１板部と第２板部とは連続した１枚の板で構成されてもよい。このような構成によれば、第１板部と第２板部との間の伝熱性が高まるため、セラミックス蛍光体の排熱効率をさらに高めることができる。

本開示の一態様では、枠体は、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、又はこれらを組み合わせた合金で構成されてもよい。このような構成によれば、容易かつ確実にセラミックス蛍光体の排熱を促進できる。

本開示の別の態様は、当該光波長変換部材と、配線板と、配線板に実装された発光素子と、を備える。光波長変部材の枠体は、配線板に固定される。
このような構成によれば、セラミックス蛍光体の排熱が効率的に行われることで、高出力域における蛍光機能の低下が抑制される発光装置が得られる。

実施形態の発光装置の模式的な断面図である。 図１の発光装置における光波長変換部材の模式的な平面図である。 図３Ａは、図１とは異なる実施形態の光波長変換部材の模式的な断面図であり、図３Ｂは、図１及び図３Ａとは異なる実施形態の光波長変換部材の模式的な断面図である。 図４Ａ，４Ｂは、それぞれ、比較例の光波長変換部材の模式的な断面図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示す発光装置１０は、光波長変換部材１と、配線板１１と、発光素子１２とを備える。

＜光波長変換部材＞
光波長変換部材１は、入射した光の波長を変換する部材である。光波長変換部材１は、板状のセラミックス蛍光体２と、金属製の板状の枠体３とを有する。

（セラミックス蛍光体）
セラミックス蛍光体２は、蛍光性を有する結晶粒子を主体とする蛍光相と、透光性を有する結晶粒子を主体とする透光相とを有するセラミックス焼結体である。

「蛍光相」とは、蛍光性を有する結晶粒子を主体とする相であり、「透光相」とは、透光性を有する結晶粒子、詳しくは蛍光相の結晶粒子とは異なる組成の結晶粒子を主体とする相である。

また、「主体」とは、各相において、最も多く存在する成分を意味する。例えば、蛍光相は、蛍光性を有する結晶粒子が５０体積％以上、好ましくは９０体積％以上含まれる。また、例えば、透光相には、透光性を有する結晶粒子が５０体積％以上、好ましくは９０体積％以上含まれる。

セラミックス蛍光体２を構成するセラミックス焼結体の各結晶粒子やその粒界には、蛍光相及び透光相以外の不可避不純物が含まれていてもよい。セラミックス焼結体には、蛍光相及び透光相がセラミックス焼結体の５０体積％以上、好ましくは９０体積％以上含まれる。

セラミックス蛍光体２の材質は特に限定されないが、例えば、透光相の結晶粒子が化学式（１）Ａｌ_２Ｏ_３で表される組成を有し、蛍光相の結晶粒子が化学式（２）Ａ_３Ｂ_５Ｏ_１２：Ｃｅで表される組成（つまりガーネット構造）を有するとよい。

なお、「Ａ_３Ｂ_５Ｏ_１２：Ｃｅ」とは、Ａ_３Ｂ_５Ｏ_１２中にＣｅが固溶し、元素Ａの一部がＣｅに置換されていることを示す。蛍光相の結晶粒子は、Ｃｅの固溶により、蛍光特性を示す。

化学式（１）中のＡ元素及び化学式（２）中のＢ元素は、それぞれ下記の元素群から選択される少なくとも１種の元素から構成されている。
Ａ：Ｓｃ、Ｙ、ランタノイド（但し、Ｃｅは除く）
（但し、Ａとして更にＧｄを含んでいてもよい）
Ｂ：Ａｌ（但し、Ｂとして更にＧａを含んでいてもよい）
セラミックス蛍光体２として、上記セラミックス焼結体を使用することで、蛍光相と透光相との界面での光の散乱が起き、光の色の角度依存性を減らすことができる。その結果、色の均質性を向上できる。

一方で、セラミックス蛍光体２が単一組成であると、光の散乱が起こらないため、光の色の角度依存性が大きくなり、光の色のムラが生じるおそれがある。また、蛍光体として樹脂を用いると、熱伝導率が低下し、放熱が十分にできずに温度消光が起きるおそれがある。

セラミックス蛍光体２の平均厚み（つまり、上面から下面までの平均距離）としては、特に限定されないが、例えば０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

（枠体）
枠体３は、セラミックス蛍光体２を支持する部材である。枠体３は、第１板部３Ａと、第２板部３Ｂとを有する。

枠体３の材質は金属であれば特に限定されないが、加工性及び熱伝導性の観点から、枠体３は、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、又はこれらを組み合わせた合金で構成されるとよい。

第１板部３Ａは、セラミックス蛍光体２の側面に接続されている。具体的には、第１板部３Ａは、中央に開口を有しており、図２に示すように、この開口にセラミックス蛍光体２が嵌め込まれている。

本実施形態では、第１板部３Ａ及びセラミックス蛍光体２の平面視での外形はそれぞれ矩形である。なお、セラミックス蛍光体２は、接着剤等で第１板部３Ａに接合されていてもよい。

第２板部３Ｂは、第１板部３Ａと平面視で（つまりセラミックス蛍光体２の厚み方向から視て）重なるように配置されている。本実施形態では、第２板部３Ｂは、第１板部３Ａの配線板１１側の面に、離間した２カ所において重ね合わせられている。第２板部３Ｂは、折り返しによって第１板部３Ａに当接している。第２板部３Ｂは、第１板部３Ａに接合されていてもよい。

なお、第２板部３Ｂは、セラミックス蛍光体２とは平面視で重ならない。また、本実施形態では、第２板部３Ｂは、第１板部３Ａと平面視で重ならない部分を有していない。つまり、第２板部３Ｂは、平面視で第１板部３Ａの内側に存在している。

本実施形態では、第１板部３Ａと第２板部３Ｂとは、連続した１枚の板で構成されている。つまり、第２板部３Ｂは、１枚の金属板の対向する２つの端部を内側に折り返すことによって形成されている。

具体的には、図２に示すように、第１板部３Ａの図２の左右方向（Ｘ方向）に対向する２つの端部が折り返され、折り返された端部によって、第２板部３Ｂが形成されている。一方、図２の上下方向（Ｙ方向）に対向する２つの端部では折り返しがされていない。そのため、図２のＹ方向の端部における中央部分（つまり、図２におけるセラミックス蛍光体２の上側と下側）には、第２板部３Ｂは配置されていない。

第２板部３Ｂは、図１に示すように、配線板１１の発光素子１２が実装された面に対し、第１板部３Ａ側の面とは反対側の面において固定されている。第２板部３Ｂの配線板１１への固定方法は、例えば接着剤による接合が使用できる。この接着剤は、枠体３と同等かそれ以上の熱伝導率を有することが好ましく、例えば、金属の接着剤（ろう材等）が好ましい。

第１板部３Ａ及び第２板部３Ｂの平均厚みは、セラミックス蛍光体２の平均厚みに合わせて設計される。そのため、第１板部３Ａ及び第２板部３Ｂの平均厚みは、それぞれ特に限定されないが、例えば、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

さらに、第１板部３Ａと第２板部３Ｂとの間には２つの空隙４が形成されている。本実施形態では、図１における左右両側の第１板部３Ａの折り返し部分に１つずつ空隙４が形成されている。

また、本実施形態では、各空隙４は、セラミックス蛍光体２の厚み方向と平行、かつ第２板部３Ｂの端面３Ｃと交差する断面（つまり図１に示す断面）において閉空間を構成しており、第１板部３Ａ及び第２板部３Ｂに周囲を囲まれている。

換言すれば、上記断面において、第２板部３Ｂは、第１板部３Ａとの対向面のうち折り返しの先端部分が第１板部３Ａに当接し、第１板部３Ａとの対向面のうち折り返しの根元部分は第１板部３Ａから離間している。

そのため、各空隙４は、第２板部３Ｂの折り返しにおける内側の面（つまり、第１板部３Ａとの対向面）と、第１板部３Ａの折り返しにおける内側の面（つまり、第２板部３Ｂとの対向面）とによって形成されている。

各空隙４は、筒状であり、その両端部において枠体３の外部に連通している。各空隙４は、例えば、ピンを巻き込みながら金属板の端部を折り返し、その後ピンを抜くことで形成できる。

＜配線板＞
配線板１１は、絶縁層と、この絶縁層上に設けられた配線とを有する。絶縁層としては、例えば、セラミックス基板、金属基板に絶縁層をコートした基板、ガラス基板、樹脂基板、複合基板等が使用される。配線は、金属の薄膜等によって構成される。

＜発光素子＞
発光素子１２は、例えばＬＥＤ素子等の半導体発光素子である。発光素子１２としては、セラミックス蛍光体２を効率よく励起可能な窒化物半導体が好ましい。なお、発光装置１０は、複数の発光素子１２を備えてもよい。

発光素子１２は、配線板１１にフリップチップ（つまりフェイスダウン）実装されている。発光素子１２の電極は、配線板１１の配線に電気的に接続されている。なお、発光素子１２は、ワイヤボンディングによって配線板１１に実装されてもよい。

発光素子１２の発光面には、セラミックス蛍光体２の下面が当接している。換言すれば、発光素子１２は、セラミックス蛍光体２と配線板１１との間に挟まれるように配置されている。

また、発光素子１２は、図１に示すように、第２板部３Ｂの２つの端面３Ｃそれぞれと対向している。つまり、発光素子１２は、第２板部３Ｂの２つの端面３Ｃの間に配置されている。発光素子１２と光波長変換部材１との間の空隙には、発光素子１２の固定及び保護のための樹脂が充填されてもよい。

［１−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）樹脂又はガラスよりも熱伝導率の高い金属製の枠体３によって、セラミックス蛍光体２の放熱性を向上できる。また、枠体３が第１板部３Ａと第２板部３Ｂとを有することで、セラミックス蛍光体２と配線板１１との間に発光素子１２が配置されるスペースを確保しながら、熱伝導率の比較的高い配線板１１に枠体３を直接接合することができる。さらに、第１板部３Ａと第２板部３Ｂとの間に空隙４が形成されることによって、枠体３の表面積が増加して放熱性が向上する。これらの結果、セラミックス蛍光体２の排熱を効率的に行える。

（１ｂ）空隙４がセラミックス蛍光体２の厚み方向と平行な断面において閉空間を構成することで、枠体３の厚みの増加を抑制しつつ、セラミックス蛍光体２の排熱効率を高めることができる。

（１ｃ）第１板部３Ａと第２板部３Ｂとが連続した１枚の板で構成されることで、第１板部３Ａと第２板部３Ｂとの間の伝熱性が高められる。その結果、セラミックス蛍光体２の排熱効率を向上させることができる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の光波長変換部材１において、枠体３の第１板部３Ａと第２板部３Ｂとは、必ずしも連続した１枚の板で構成されなくてもよい。つまり、図３Ａに示すように、第１板部３Ａと第２板部３Ｂとは、それぞれ１枚の板から構成されてもよい。この場合、第２板部３Ｂは第１板部３Ａにペースト、ロウ材等による接着又は熱圧着によって接合される。

（２ｂ）上記実施形態の光波長変換部材１において、空隙４は、必ずしもセラミックス蛍光体２の厚み方向と平行な断面において閉空間を構成しなくてもよい。つまり、図３Ｂに示すように、第２板部３Ｂの第１板部３Ａと対向する内側の面全体が第１板部３Ａから離間していてもよい。

（２ｃ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

［３．実施例］
以下に、本開示の効果を確認するために行った試験の内容とその評価とについて説明する。

＜参考例１＞
１ｍｍ角の平均厚さ０．２ｍｍのセラミックス蛍光体に対し、レーザー光を照射し、レーザー出力を徐々に上げた。温度消光が生じたときのレーザー出力は、１Ｗであった。

＜参考例２＞
参考例１のセラミックス蛍光体を、１０ｍｍ角の平均厚さ０．２ｍｍのアルミニウム製の金属枠の中央部に嵌め込んだ光波長変換部材を作製した。この光波長変換部材において、参考例１と同様の試験を行ったところ、温度消光が生じたときのレーザー出力は、６Ｗであった。

＜比較例１＞
図４Ａに示すように、セラミックス蛍光体２を嵌め込んだ参考例２の金属枠（第１板部１０３Ａ）に、第２板部１０３Ｂを接合した光波長変換部材１０１を作製した。なお、第１板部１０３Ａと第２板部１０３Ｂとの間には空隙が形成されていない。この光波長変換部材に対し、１ｍ／ｓｅｃの風を当てつつレーザー光を照射し、レーザー出力を徐々に上げた。温度消光が生じたときのレーザー出力は、７Ｗであった。

＜比較例２＞
図４Ｂに示すように、セラミックス蛍光体２を嵌め込んだ参考例２の金属枠の端部を折り返し、第１板部２０３Ａと、第２板部２０３Ｂとを形成した光波長変換部材２０１を作製した。なお、第１板部２０３Ａと第２板部２０３Ｂとの間には空隙が形成されていない。この光波長変換部材において、比較例１と同様の試験を行ったところ、温度消光が生じたときのレーザー出力は、１０Ｗであった。

＜実施例１＞
図１の光波長変換部材１において、比較例１と同様の試験を行ったところ、温度消光が生じたときのレーザー出力は、１１Ｗであった。

＜実施例２＞
図３Ｂの光波長変換部材１において、比較例１と同様の試験を行ったところ、温度消光が生じたときのレーザー出力は、１３Ｗであった。

＜考察＞
以上の結果から、第１板部３Ａと第２板部３Ｂとの間に空隙を設けることによって、放熱性が向上することがわかる。

１…光波長変換部材、２…セラミックス蛍光体、３…枠体、３Ａ…第１板部、
３Ｂ…第２板部、３Ｃ…端面、４…空隙、１０…発光装置、１１…配線板、
１２…発光素子。

Claims (5)

1. 入射した光の波長を変換するように構成された光波長変換部材であって、
   板状のセラミックス蛍光体と、
   前記セラミックス蛍光体を支持するように構成された金属製の板状の枠体と、
   を有し、
   前記枠体は、
   前記セラミックス蛍光体の側面に接続される第１板部と、
   前記第１板部と平面視で重なるように配置された第２板部と、
   を有し、
   前記第１板部と前記第２板部との間には空隙が形成される、光波長変換部材。
2. 前記空隙は、前記セラミックス蛍光体の厚み方向と平行な断面において閉空間を構成する、請求項１に記載の光波長変換部材。
3. 前記第１板部と前記第２板部とは連続した１枚の板で構成される、請求項１又は請求項２に記載の光波長変換部材。
4. 前記枠体は、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、又はこれらを組み合わせた合金で構成される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光波長変換部材。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光波長変換部材と、
   配線板と、
   前記配線板に実装された発光素子と、
   を備え、
   前記光波長変部材の前記枠体は、前記配線板に固定される、発光装置。

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