JP2013197033A

JP2013197033A - 固体照明装置

Info

Publication number: JP2013197033A
Application number: JP2012065686A
Authority: JP
Inventors: Masato Ishikawa; 真人石川; Atsushi Heike; 敦平家
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-09-30
Also published as: WO2013140691A1; EP2829794A1; US20150180202A1

Abstract

【課題】高輝度であり、安全性が高められた固体照明装置を提供する。
【解決手段】固体照明装置は、光源部と、発光部と、受光部と、導光部と、保護回路と、を有する。光源部は、窒化物からなる発光層を有する半導体レーザーと、駆動回路と、を有する光源部であって、青紫色〜青色の波長範囲のレーザー光を放出する。発光部は、熱伝導部と、レーザー光を吸収し波長変換光を放出する波長変換層と、レーザー光を導光可能な光学部と、を有する。受光部は、光学部からの戻り光を検出可能である。導光部は、光源部から光学部に向かってレーザー光を導光し、かつ光学部から受光部に向かって戻り光を導光する。保護回路は、受光部から出力された電気信号により、戻り光の光量が所定の範囲外であることを検出すると、駆動回路に向けて駆動停止信号を出力する。駆動回路は、駆動停止信号が入力されると半導体レーザーの駆動を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体照明装置に関する。

白色固体照明(ＳＳＬ: Solid-State Lighting)装置は、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)やＬＤ（Laser Diode）などの半導体発光素子や波長変換層を有している。

固体照明装置には、高輝度化・高出力化が強く要求される。このため、半導体発光素子の放出光や波長変換層による波長変換光は、ますます高出力であることが求められる。

このため、発光素子や波長変換層から放出される光が正常に放出されない場合、固体照明装置は、異常を検出可能な自己診断機能を有することが安全上望ましい。

特開２００７−５２９５７号公報

高輝度であり、安全性が高められた固体照明装置を提供する。

実施形態にかかる固体照明装置は、光源部と、発光部と、受光部と、導光部と、保護回路と、を有する。前記光源部は、窒化物材料からなる半導体レーザーと、前記半導体レーザーを制御する駆動回路と、を有する光源部であって、青紫色〜青色の波長範囲のレーザー光を放出する。前記発光部は、第１の面を有する熱伝導部と、前記第１の面に設けられ前記レーザー光を吸収し波長変換光を放出する波長変換層と、前記第１の面および前記波長変換層の上に設けられ前記レーザー光を導光可能な光学部と、を有する。前記受光部は、前記光学部からの戻り光を検出可能である。前記導光部は、前記光源部から前記光学部に向かって前記レーザー光を導光し、かつ前記光学部から前記受光部に向かって前記戻り光を導光する。前記保護回路は、前記受光部から出力された電気信号により、前記戻り光の光量が所定の範囲外であることを検出すると、前記駆動回路に向けて駆動停止信号を出力する。前記駆動回路は、前記駆動停止信号が入力されると前記半導体レーザーの駆動を停止する。

高輝度であり、安全性が高められた固体照明装置が提供される。

第１の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。図２（ａ）は固体照明装置の模式斜視図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った発光部近傍の模式断面図、である。第２の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。第３の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。第４の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。自己診断システムを説明するタイミング図である。第５の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。第５の実施形態にかかる演算回路の作用を説明するグラフ図である。固体照明装置の応用例の一例であるプロジェクタの構成を示す模式図である。プロジェクタの機能を示すブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。
固体照明装置５は、光源部１０と、導光部２０と、発光部３０と、受光部７０と、保護回路８０と、を有する。

光源部１０は、窒化物からなる発光層を有する半導体レーザー１１と、半導体レーザー１１を制御する駆動回路１２と、を有する。また、光源部１０は、青紫色〜青色の波長範囲のレーザー光を放出する。駆動回路１２は、半導体レーザー１１のオン／オフ切り替え、電流制御、パルス点灯制御などを行うことができる。

なお、本明細書において、青紫色光の波長範囲は、３８０ｎｍ以上、４３０ｎｍよりも小とする。また、青色光の波長範囲は、４３０ｎｍ以上、４８０ｎｍ以下とする。

発光部３０は、熱伝導部と、熱伝導部の表面に設けられレーザー光を吸収し波長変換光を放出する波長変換層と、熱伝導部の表面および波長変換層の上に設けられた光学部と、を有する。また、発光部３０において、導光部２０から光学部に入射したレーザー光は、光学部内を導光されたのち波長変換層を照射する。

受光部７０は、たとえば、シリコンフォトダイオードなどからなり、レーザー光の戻り光ＲＬｂと、波長変換光の戻り光ＲＬｙと、を含む戻り光ＲＬを検出可能である。

導光部２０は、光源部１０から発光部３０に向かってレーザー光を導光し、かつ発光部３０から受光部７０に向かって戻り光ＲＬを導光する。なお、導光部２０は、複数のレーザー光のそれぞれを導光可能な複数の光ファイバー２４を含むことができる。戻り光ＲＬが導光される光ファイバーは、戻り光専用であっても、またはレーザー光の伝送用ファイバーを共用してもよい。

波長変換層３２が、過度な振動や衝撃などにより破損すると、レーザー光が外部に漏れることがある。また、ＬＥＤよりも光密度が高いレーザー光で蛍光体層などからなる波長変換層３２を励起すると、発熱量が増大する。この場合、レーザー光のオン／オフに伴って熱伝導部３４の熱膨張と収縮が繰り返されると、波長変換層３２にクラックや剥離を生じ、レーザー光が波長変換層３２に照射されずにそのまま外部に放出されることがある。人間の目にとって、このような漏れ光の強度は低いことが安全上好ましい。

保護回路８０は、受光部７０からの出力電気信号により、戻り光ＲＬの光量が所定の範囲外の異常値となったことを検出すると、駆動回路１２に向けて駆動停止信号ＳＴを出力する。駆動回路１２は、駆動停止信号ＳＴにより半導体レーザー１１をオフに転じる。このようにすると、正常な動作状態から逸脱した場合、直ちにレーザー光をオフにして、固体照明装置の安全性を確保することができる。

図２（ａ）は固体照明装置の模式斜視図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った発光部近傍の模式断面図、である。
導光部２０は、光ファイバー２４を含むものとするが、透明樹脂やガラスなどからなる導光路を含んでもよい。また、レーザー光は青色光であるものとする。

図２（ａ）に表すように、固体照明装置５の導光部２０は、光源部１０と光結合接続されるコネクタ２１と、光ファイバー２４と、発光部３０と光結合接続されるコネクタ２６と、有する。光ファイバー２４は、たとえば、多芯光ファイバーとすることができる。この場合、多芯光ファイバーは、半導体レーザー１１からの青色レーザー光ＢＬを発光部３０へ向かって伝搬する光ファイバー２４ａと、発光部３０からの戻り光ＲＬを受光部７０に向けて伝搬する光ファイバー２４ｒと、有する。なお、青色光ＢＬを伝搬する光ファイバー２４ａ内を、戻り光ＲＬが伝搬し、受光部７０に入射してもよい。

また、図２（ｂ）に表すように、発光部３０は、熱伝導部３４と、熱伝導部３４の表面に設けられ、青色レーザー光ＢＬを吸収して波長変換光を放出する波長変換層３２と、光学部４９と、を有し、青色レーザー光ＢＬと波長変換光との混合光ＧＴを放出する。

青色レーザー光ＢＬは、光ファイバー２４の一方の端部から光学部４９の側面４９ｄへ導入される。黄色蛍光体粒子などを含む波長変換層３２は、黄色の波長変換光を放出するので、青色レーザー光ＢＬとの混合光ＧＴとして、たとえば白色光を光学部４９の上面４９ｅから放出する。なお、波長変換層３２を、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）などの蛍光体を含むものとしても白色光を放出可能である。

また、光学部４９は、屈折率の高いコア部４９ａを屈折率の低いガラスからなるクラッド部４９ｂで上下から挟んだ構造とする。このため、指向性の高いレーザー光はコア部４９ａを伝搬する。

本実施形態では、コア部４９ａの先端部にテーパ部４９ｃを設けている。テーパ部４９ｃを設けることにより、レーザー光が上下の異なる屈折率界面において全反射することなく、波長変換層３２の上面に効率的に照射される。このテーパ部４９ｃの形状によって照射の分布も制御することにより、微小発光面の輝度を制御できる。クラッド部４９ｂとコア部４９ａとの屈折率差は、比較的小さくて済むため、波長変換層３２での白色発光の配光には、ほとんど影響がない。

白色光の一部は、戻り光ＲＬとなり、光ファイバ２４内を伝搬し、受光部７０へ入射することができる。

図３は、第２の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。
第２の実施形態の固体照明装置５は、受光部７０の前に設けられた青色光カットフィルタ７１をさらに有している。もし、波長変換層３２が破損した場合、黄色光が減少するとともに青色光ＢＬが増加する。このため、白色光の光量が検出できても、波長変換層３２の異常を精度よく検出できないことがある。

これに対して、第２の実施形態では、光ファイバー２４ｒから出射した戻り光ＲＬのうち、黄色光ＲＬｙを選択的に透過させ受光部７０に入射させる。このため、受光部７０は、光ファイバー２４の破損だけでなく、波長変換層３２の破損による黄色光の光量の低下も検出できる。このようにして、白色光の異常を自己診断し、固体照明装置の安全を確保数することができる。

図４は、第３の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。
第３の実施形態にかかる固体照明装置５は、青色光カットフィルタ７１を透過した光を検出する第１受光部７０ａと、黄色光カットフィルタ７２を透過した光を検出する第２受光部７０ｂと、を戻り光用光ファイバー２４ｒと保護回路８１との間に並列に有する。

この場合、保護回路８１は、第１受光部７０ａの出力電気信号と、第２受光部７０ｂの出力電気信号と、を比較する比較回路を有している。保護回路８１は、第１受光部７０ａの出力電気信号と、第２受光部７０ｂと出力電気信号と、の比率が、所定の範囲外になった場合、駆動停止信号ＳＴを駆動回路１２に向けて出力し、半導体レーザー１１の駆動を停止する。このようにして、白色光の異常を自己診断し、固体照明装置の安全を確保することができる。

図５は、第４の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。
第４の実施形態にかかる固体照明装置は、複数の半導体レーザー素子（レーザー素子）１１を有する。複数の半導体レーザー素子１１と、複数の光ファイバー２４と、を含む場合、いずれか１つに異常が生じても戻り光ＲＬの変化量は全体からみれば小さいので異常判定精度が低くなる。また、複数の半導体レーザー素子１１を有する固体照明装置の場合、異常発生箇所を特定することが必要である。第４の実施形態は、異常を生じた半導体レーザー素子１１を特定する自己診断システムを備えた固体照明装置である。

図５において、固体照明装置５は、３つの半導体レーザー素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、青色レーザー光ＢＬをそれぞれ導光する３つの光ファイバー２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、と、を有している。また、戻り光ＲＬを導光する光ファイバー２４ｒをさらに有していてもよい。半導体レーザー素子１１からのそれぞれの青色レーザー光ＢＬは、対向する光ファイバー２４の一方の端面にそれぞれ入射し導光されたのち、光ファイバー２４の他方の端面からそれぞれ出射し、波長変換層３２を照射する。

発光部３０からの戻り光ＲＬは光ファイバー２４ｒ内を導光され、青色カットフィルタ７１に入射する。青色光ＢＬ近傍の発光スペクトルがカットされた戻り光ＲＬは、受光部７０に入射する。

図６は、自己診断システムを説明するタイミング図である。
駆動回路１２は、パルス幅がＴｐである基本パルス信号を、繰り返し周波数ｆで発生している。繰り返し周波数ｆは、たとえば、人間の目で感知困難である数百Ｈｚとすることができる。時間Ｔ１〜（Ｔ１＋Ｔｐ）の間は、第１の半導体レーザー素子１１ａのみがオンとなる。第１の半導体レーザー素子１１ａの光量が所定の範囲であることを受光部７０が検出すれば、動作が正常であると判断する。他方、時間Ｔ４〜（Ｔ４＋Ｔｐ）の間に表すように、第１の半導体レーザー素子１１ａの光量が所定の範囲外であることを受光部７０が検出すれば、光ファイバー２４ａの破損か、波長変換層３２の破損か、半導体レーザー素子１１ａの劣化か、などの異常と判断する。

同様に、時間Ｔ２〜（Ｔ２＋Ｔｐ）の間は、第２の半導体レーザー素子１１ｂのみがオンとなり、時間Ｔ３〜（Ｔ３＋Ｔｐ）の間は、第３の半導体レーザー素子１１ｃのみがオンとなる。基本パルス信号の発生が一巡したのち、この過程が繰り返される。この結果、固体照明装置５の動作が正常であるか否かの自己診断が可能である。すなわち、半導体レーザー素子１１と、光ファイバー２４と、波長変換層３２と、を含む複数の独立した光路が設けられている場合、異常を生じた光路を特定することができる。このため、たとえば、異常を生じた光路の半導体レーザー素子１１の駆動を停止することにより、固体照明装置の安全性を高めることができる。

図７は、第５の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。
第５の実施形態の保護回路８０は、受光部７０の出力を演算する演算回路８０ａと、半導体レーザー１１の出力制御回路８０ｂ、とを有する。たとえば、戻り光ＲＬの光量をフィードバックして青色光ＢＬを所定の値に制御したいとしても、戻り光ＲＬに外乱光が多く含まれていると正確な制御が困難である。

図８は、第５の実施形態にかかる演算回路の作用を説明するグラフ図である。
外乱光は、半導体レーザー１１のオフ状態における受光部７０への入射光量Ｂに対応する。半導体レーザー１１のオン状態における受光部７０への入射光量をＡとする場合、白色光量は、入射光量Ａから入射光量Ｂを減算した値（Ａ−Ｂ）となる。入射光量Ａに対応する受光部７０の出力電気信号７０ａから、入射光量Ｂに対応する受光部７０の出力電気信号７０ｂを減算した値を出力制御回路８０ｂへ入力することにより、青色光ＢＬの光量をより正確に制御することができる。なお、図７において、受光部７０と光ファイバー２４ｒとの間に青色光カットフィルタを介挿しても、外乱光の影響を低減し青色光ＢＬの光量を正確に制御することができる。

図９は、固体照明装置の応用例の一例であるプロジェクタの構成を示す模式図である。
発熱の大きい半導体レーザーと、駆動回路と、は、光源部１０に収納されている。光ファイバー２４により、光源部１０と接続された発光部は、大光量高輝度発光が可能であるにもかかわらず、小型軽量で低発熱とできる。

映像をスクリーン６４に投影する投影部６０には、発光部の前に液晶デバイスなどからなるシャッターが設けられる。液晶デバイスは、消費電力が低いので、発熱は少ない。また、マイクロ波でワイアレス給電する場合、光ファイバー２４に光信号伝送用のコネクタを設ければよい。もちろん、電気信号伝送用のコネクタを設けることもできる。発光部は自在に首の角度を調整できるように、自在パイプの中に光ファイバー束を通すと、照射位置の調整がワンタッチで可能である。

図１０は、プロジェクタの機能を示すブロック図である。
プロジェクタは、投影部６０と、固体照明装置と、掃引信号駆動部７１と、映像信号駆動部７２と、を有する。投影部６０は、映像部６３と、掃引光学部６１と、外部信号センサー部６２と、を有する。また、映像部６３は、液晶シャッターを有してもよい。

固体照明装置は、光源部１０と、導光部２０と、発光部３０と、を有する。光源部１０から放出されたレーザー光Ｇ１は、導光部２０を伝搬し、発光部３０へ入射する。発光部３０から放出された白色光ＧＴは、映像部６３に対するバックライトとして作用する。また、光源部１０は、掃引光学部６１へ青色レーザー光ＢＬを伝送することができる。

光学部からの戻り光ＲＬは、導光部２０を通り、受光部７０へ入射する。戻り光ＲＬは、光学部で反射された青色レーザー光および波長変換光を含む。自己診断システムにより、白色光の異常を検出できる。

映像部６３には、映像信号駆動部７２からの映像信号Ｓ１が入力され、スクリーン６４に向けて映像を投影する。また、掃引光学部６１へは、掃引信号駆動部７１からの掃引信号Ｓ２が入力される。

また、信号伝送系を光のみにする場合、高出力レーザーの出力の一部を利用して発光ヘッド側で光発電を行い、制御信号用電力も光ファイバーなどで伝送することも可能である。

実施形態にかかる固体照明装置は、小型、軽量、低発熱であり、安全性を高めることが容易である。このような固体照明装置の応用は、プロジェクタに限定されない。舞台照明、街路灯、サーチライト、ヘッドライト、水中照明、などに広く用いることができる。たとえば、舞台照明の場合、プロジェクションやスポット照明に使用できる。この場合、微小発光部のローカル部分の色や輝度を調光でき、分解能は低いが演出としては大きな効果が得られる。

また、外部信号光センサー部６２が赤外線などの外部光信号を検出すると、光源部１０に向けて、赤外線や電気などの信号ＲＬ２を伝送し、半導体レーザーのオンまたはオフに制御することができる。このような固体照明装置は、防爆設備用照明や画像録画可能な防犯照明などとして用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０光源、１１半導体レーザー（レーザー素子）、１２駆動回路、２０導光部、２４光ファイバー、３０発光部、３２波長変換層、３４熱伝導部、４９光学部、７０受光部、７１青色光カットフィルタ、７２黄色光カットフィルタ、８０、８１保護回路、ＢＬ青色光、ＲＬ戻り光、ＧＴ白色光、ＳＴ駆動停止信号

Claims

窒化物からなる発光層を有する半導体レーザーと、前記半導体レーザーを制御する駆動回路と、を有する光源部であって、青紫色〜青色の波長範囲のレーザー光を放出する光源部と、
第１の面を有する熱伝導部と、前記第１の面に設けられ前記レーザー光を吸収し波長変換光を放出する波長変換層と、前記第１の面および前記波長変換層の上に設けられ前記レーザー光を導光可能な光学部と、を有する発光部と、
前記光学部からの戻り光を検出可能な受光部と、
前記光源部から前記光学部に向かって前記レーザー光を導光し、かつ前記光学部から前記受光部に向かって前記戻り光を導光する導光部と、
前記受光部から出力された電気信号により、前記戻り光の光量が所定の範囲外であることを検出すると、前記駆動回路に向けて駆動停止信号を出力する保護回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記駆動停止信号が入力されると前記半導体レーザーの駆動を停止する固体照明装置。
前記半導体レーザーは、複数のレーザー素子を含み、
前記導光部は、複数の光ファイバーを含み、
前記複数のレーザー素子のそれぞれから放出された前記レーザー光は、前記複数の光ファイバーのそれぞれの内部を導光される請求項１記載の固体照明装置。
前記導光部と、前記受光部と、の間に設けられた青色光カットフィルタをさらに備え、前記受光部は、前記戻り光のうち前記青色光カットフィルタを透過した前記波長変換光の光量を検出する請求項１または２に記載の固体照明装置。
前記導光部と、前記受光部と、の間に設けられた青色光カットフィルタと、
前記導光部と、前記受光部と、の間に設けられた黄色光カットフィルタと、
をさらに備え、
前記保護回路は、前記青色光カットフィルタを透過した波長変換光の光量と、前記黄色光カットフィルタを透過した前記レーザー光の光量と、を比較する比較回路を有する請求項１または２に記載の固体照明装置。
前記駆動回路は、前記半導体レーザーの前記複数のレーザー素子のうち、１つのレーザー素子のみをオンとし、残与のレーザー素子をオフとするように前記複数のレーザー素子を逐次パルス駆動し、
オンとするパルス信号が加えられたにもかかわらず前記戻り光の前記光量が前記所定の範囲に到達しない場合、前記保護回路は前記駆動停止信号を出力する請求項２記載の固体照明装置。