特許 6660484 蛍光体素子および照明装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6660484

(24)【登録日】2020年2月12日

(45)【発行日】2020年3月11日

(54)【発明の名称】蛍光体素子および照明装置

(51)【国際特許分類】

   F21V 8/00 20060101AFI20200227BHJP

   F21V 9/30 20180101ALI20200227BHJP

   G02B 6/00 20060101ALI20200227BHJP

   F21Y 115/30 20160101ALN20200227BHJP

【ＦＩ】

   F21V8/00 281

   F21V9/30

   G02B6/00 331

   G02B6/00 301

   F21Y115:30

【請求項の数】12

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2018-551875(P2018-551875)

(86)(22)【出願日】2017年8月29日

(86)【国際出願番号】JP2017030842

(87)【国際公開番号】WO2019043772

(87)【国際公開日】20190307

【審査請求日】2018年10月12日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100097490

【弁理士】

【氏名又は名称】細田 益稔

(74)【代理人】

【識別番号】100097504

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 純雄

(72)【発明者】

【氏名】近藤 順悟

(72)【発明者】

【氏名】大和田 巌

【審査官】 河村 勝也

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６２−２６２８３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２９３６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０４３５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１８０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１８４６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１７９７６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２１Ｖ ８／００

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｇ０２Ｂ ６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

励起光を光導波路伝搬する、ガラス、単結晶または多結晶中に希土類元素イオンがドープされた蛍光体からなる光導波路であって、
前記励起光が前記希土類元素イオンに照射されることで蛍光を発光し、前記光導波路が、前記励起光および前記蛍光からなる白色光を出射する出射側端面、前記出射側端面と反対側の対向端面および外周面を有している光導波路、
前記光導波路の前記外周面を被覆するクラッド層、および
前記クラッド層を被覆する反射膜であって、金属膜または誘電体多層膜からなる反射膜を備えており、
前記出射側端面の面積が前記対向端面の面積よりも大きく、かつ
前記光導波路の前記外周面が前記光導波路の中心軸に対して２°以上、１３°以下傾斜している傾斜部分を含むことを特徴とする、蛍光体素子。

【請求項2】

前記単結晶が、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｂａ_５Ｓｉ_１１Ａｌ_７Ｎ_２５またはＴｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２からなることを特徴とする、請求項１記載の蛍光体素子。

【請求項3】

前記多結晶が、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｂａ_５Ｓｉ_１１Ａｌ_７Ｎ_２５、またはＴｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２からなることを特徴とする、請求項１記載の蛍光体素子。

【請求項4】

前記光導波路の前記外周面のうち前記傾斜部分が３０％以上を占めていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子。

【請求項5】

前記光導波路の前記外周面が、底面、前記底面に対向する上面、および前記底面と前記上面との間の一対の側面を備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子。

【請求項6】

前記光導波路の前記上面の幅が、前記対向端面から前記出射側端面へと向かって大きくなっていることを特徴とする、請求項５記載の蛍光体素子。

【請求項7】

前記光導波路の厚さが、前記対向端面から前記出射側端面へと向かって大きくなっていることを特徴とする、請求項５または６記載の蛍光体素子。

【請求項8】

前記光導波路の幅が、前記上面から前記底面へと向かって変化していることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子。

【請求項9】

前記各側面の前記底面の法線に対する傾斜角度が５０°以下、１０°以上であることを特徴とする、請求項８記載の蛍光体素子。

【請求項10】

前記蛍光を反射する反射部が前記対向端面に設けられていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子。

【請求項11】

前記対向端面が、前記励起光を入射させるための入射面であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子。

【請求項12】

励起光を発光する光源および蛍光体素子を備える照明装置であって、
前記蛍光体素子が、請求項１〜１１のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子であり、前記光導波路の前記出射側端面から前記白色光が放射することを特徴とする、照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蛍光体素子、および白色光を発光する照明装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

最近、レーザー光源を用いた自動車用ヘッドライトの研究が盛んに行われており、その内の一つに、青色レーザーあるいは紫外レーザーと蛍光体を組み合わせた白色光源がある。レーザー光を集光することにより、励起光の光密度を高めることができる上に、複数のレーザー光を蛍光体上に重ねて集光することで、励起光の光強度も高めることができる。これによって、発光面積を変えずに光束と輝度とを同時に大きくすることができる。このため、半導体レーザーと蛍光体とを組み合わせた白色光源が、ＬＥＤに替わる光源として注目されている。例えば、自動車用ヘッドライトに使用する蛍光体ガラスは、日本電気硝子株式会社の蛍光体ガラス「ルミファス」や国立研究開発法人物質・材料研究機構と株式会社タムラ製作所、株式会社光波のＹＡＧ単結晶蛍光体が考えられている。

【0003】

白色レーザーについては、米国SORAA社から、非特許文献１に示す構造が開示されている。本レーザーは、励起用レーザーの光を直接に蛍光体の斜め上方から入射させて、蛍光体の反対面に反射膜を形成することにより、励起光と蛍光を反射して上方に白色光として取り出している。この白色レーザーは、励起用レーザーと蛍光体を一体化、小型化し、かつ指向性の高い照明光を得ることができるとして、特殊光源や光通信用光源としての応用が期待されている。

【0004】

一方、特許文献１には、蛍光ファイバを用いた白色光発光装置が記載されている。この装置では、蛍光体からなる光ファイバに対して励起光を入射させ、光ファイバの側周面から白色光を発光させる。

【0005】

更に、特許文献２では、蛍光体からなる光ファイバの外周面を金属膜によって被覆し、光ファイバに励起光を入射させ、光ファイバの出射側端面から白色光を出射させている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】J. W. Raring et al., "Laser diode phosphor modules for unprecedented SSL optical control," 2016 Illuminating Engineering Society (IES) Annual Conference, Orlando, FL (Oct. 24, 2016).

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第４２９９８２６

【特許文献2】特許第５２１４１９３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、非特許文献１記載の構造では、蛍光の取り出し効率が悪く、励起光が蛍光体の側面方向から漏れるためにBeam Dump用の吸収体を必要としており、励起レーザー光もロスしていることがわかる。

【0009】

特許文献１記載の構造では、強度や指向性の高い白色光を得ることが困難であり、また外周面のさまざまな場所から蛍光と励起光とが発光するため白色光の色ムラが見られる。

【0010】

特許文献２記載の構造では、指向性の高い白色光が得られるが、励起光が変換された蛍光が出射側へ取り出される効率（取出効率）に限界があることがわかった。

【0011】

本発明の課題は、光導波路に励起光を入射させ、蛍光を発生する蛍光体素子において、光導波路からの白色光の取出効率を向上させると共に、得られる白色光の色ムラを防止できるようにすることである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明は、励起光を光導波路伝搬する、ガラス、単結晶または多結晶中に希土類元素イオンがドープされた蛍光体からなる光導波路であって、前記励起光が前記希土類元素イオンに照射されることで蛍光を発振し、前記光導波路が、前記励起光および前記蛍光からなる白色光を出射する出射側端面、前記出射側端面と反対側の対向端面および外周面を有している光導波路、
前記光導波路の前記外周面を被覆するクラッド層、および
前記クラッド層を被覆する反射膜であって、金属膜または誘電体多層膜からなる反射膜を備えており、
前記出射側端面の面積が前記対向端面の面積よりも大きく、かつ
前記光導波路の前記外周面が前記光導波路の中心軸に対して２°以上、１３°以下傾斜している傾斜部分を含むことを特徴とする。

【0013】

また、本発明は、励起光を発振する光源および蛍光体素子を備える照明装置であって、
前記蛍光体素子が、前記蛍光体素子であり、前記光導波路の出射側端面から白色光が放射することを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、光導波路内で発生した蛍光のうち、クラッド層との境界で反射される蛍光を出射側端面へと伝搬できるだけでなく、光導波路の全反射条件を満足できずにクラッド層内に入射する蛍光も、光導波路の外周面上に設けられた各反射膜によって反射されて光導波路内に再入射する。この上で、光導波路の出射側端面の面積を相対的に大きくし、かつ光導波路の外周面（クラッド層との境界面）を中心軸に対して２〜１３°傾斜させることで、出射光量を増大させると同時に、出射する白色光の色ムラも抑制できることを見いだし、本発明に到達した。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】（ａ）は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子１を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、出射側端面２ｆを示す正面図であり、（ｃ）は、対向端面２ｅを示す正面図である。

【図2】蛍光体素子１の平面的寸法を示す模式図である。

【図3】他の実施形態に係る蛍光体素子１１の平面的寸法を示す模式図である

【図4】本発明の実施形態に係る蛍光体素子１の厚さ方向の寸法を示す模式的断面図である。

【図5】比較例に係る蛍光体素子２１における光の伝搬状態を示す模式図である。

【図6】蛍光体素子１における光の伝搬状態を示す模式図である。

【図7】（ａ）は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子３１を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、出射側端面３２ｆを示す正面図であり、（ｃ）は、対向端面３２ｅを示す正面図である。

【図8】蛍光体素子４１の横断面を示す模式図である。

【図9】蛍光体素子４１の横断面における光の伝搬を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１、図２は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子１を示す。
本例では、光導波路２は、横断面が四辺形をしており、細長く伸びている。光導波路２の出射側端面２ｆと対向端面２ｅとの間に外周面が伸びており、外周面は、細長い底面２ａ、底面２ａに対向する上面２ｂおよび一対の側面２ｃ、２ｄを有している。そして、光導波路２の外周面をクラッド層３が被覆しており、クラッド層３を反射膜４が被覆している。

【0017】

クラッド層３は、光導波路２の底面２ａを被覆する底面側クラッド層３ａ、上面２ｂを被覆する上面側クラッド層３ｂ、各側面２ｃ、２ｄを被覆する側面側クラッド層３ｃ、３ｄを備えている。また、反射膜４は、底面側クラッド層３ａ上の底面側反射膜４ａ、上面側クラッド層３ｂ上の上面側反射膜４ｂ、および側面上クラッド層３ｃ、３ｄ上の側面側反射膜４ｃ、４ｄを備えている。反射膜上には、反射膜の劣化を防ぐために、パッシベーション膜を形成していてもよい。パッシベーション膜として酸化膜を例示できる。

【0018】

本発明に従い、出射側端面２ｆの面積ＡＯを、対向端面２ｅの面積ＡＩよりも大きくする。なお、励起光は、対向端面２ｅから入射させてもよく、出射側端面２ｆから入射させて対向端面２ｅ上の反射膜で全反射させてもよい。

【0019】

本実施形態によれば、光導波路６内で変換された蛍光のうち、光導波路２とクラッド層との境界で反射される蛍光を出射側端面へと伝搬できるだけでなく、光導波路の全反射条件を満足できずにクラッド層内に入射する蛍光も、底面、上面および各側面に設けられた各反射膜によって反射されて光導波路内に再入射するので、出射側端面からの蛍光の出射光量を増加させることができる。

【0020】

その上で、光導波路の中心軸に対して傾斜する傾斜部分を光導波路の外周面に設けていることが重要である。これによる利点について更に述べる。
まず、中心軸に対して傾斜する傾斜部分を光導波路の外周面に設けない場合について述べる。図５はこの形態に係るものである。

【0021】

図５に示す比較例の蛍光体素子２１においては、光導波路１２の幅Ｗが一定であり、厚さも一定である。また光導波路１２の出射側端面１２ｆの面積と対向端面１２ｅの面積とが同一である。この場合には、励起光Ａが光導波路１２内を伝搬し、蛍光体粒子１６に当たると、蛍光体粒子１６から蛍光が発光する。このとき、蛍光は、蛍光体１６から、あらゆる方向に向かって均一に発光する。

【0022】

ここで、蛍光体１６から出射側端面１２ｆのほうへと放射された蛍光Ｆは、入射角θｐでクラッド層との界面に達する。ここで、光導波路の屈折率ｎｐ、クラッド層の屈折率ｎｃ、入射角度θｐが全反射条件を満足している場合には、蛍光は界面で反射され、光導波路伝搬し、出射側端面１２ｆから出射する。一方、蛍光の入射角θｐが全反射条件を満足しない場合には、矢印Ｇのように屈折し、反射膜４ｃ、４ｄによって反射され、矢印Ｈのように反射する。このような反射を反復しながら伝搬する光は、光導波路伝搬でなく、一部は蛍光体内で反射膜の吸収や蛍光体の吸収によって減衰し、一部は出射側端面１２ｆに到達する。しかし、この光は方向性がなく出射端から放射するので、光導波路伝搬する励起光とミキシングできない成分の蛍光成分もあるため、白色光の取出効率を大きく改善することはできない。

【0023】

クラッド層を設けず、各反射膜が蛍光体に直接接触している場合には、光導波路伝搬せずに励起光と蛍光双方とも反射膜で反射を繰り返しながら伝搬するので、前述のように励起光と蛍光の一部は蛍光体内で減衰し、出射側端面１２ｆに到達した双方の光は方向性を持たず端面から出射するので、前面方向に白色光を取り出すことが難しく、取出し効率の改善が難しい。

【0024】

蛍光体１６から、光導波路の長手方向に対して垂直な方向へと発生した蛍光Ｃは、反射膜で矢印Ｄのように反射され、光導波路内で反射を繰り返し、最終的に減衰することになる。また、蛍光体１６から対向端面１２ｅ側へと発生された蛍光Ｅは、上記と同様な反射を繰り返し、最終的に対向端面に到達することになる。

【0025】

一方、図２の蛍光体素子１においては、光導波路２の上面の幅Ｗが対向端面２ｅ（ＷＩ）から出射側端面２ｆ（ＷＯ）へと向かって徐々に大きくなっている。なお、θは、光導波路２の中心軸Ｋと側面６ｃ、側面６ｄとの角度である。本例では角度θは一定であり、かつ２〜１３°の範囲内である。なお、θは、一定であることが好ましいが、一定である必要はなく、出射側端面と対向端面との間で変化していてもよい。好ましくは、幅Ｗは、対向端面から出射側端面へと向かって連続的に、滑らかに増大している。

【0026】

ここで、図６に示すように、励起光Ａが光導波路内を伝搬し、蛍光体粒子１６に当たると、蛍光体粒子１６から蛍光が発光する。このとき、蛍光は蛍光体からあらゆる方向に向かって均一に発光する。ここで、蛍光体１６から出射側端面のほうへと放射された蛍光Ｆは、入射角θｐでクラッド層との界面に達する。光導波路の屈折率ｎｐ、クラッド層の屈折率ｎｃ、入射角度θｐが全反射条件を満足している場合には、蛍光は界面で反射し光導波路伝搬する。

【0027】

例えば光導波路の側面６ｄが長手方向Ｋに対してθ傾斜している場合には、蛍光Ｆの入射角θｐが、図５の例に比べてθだけ大きくなり、クラッド層との界面で全反射しやすくなる。このため図５の例で全反射条件を満足できなかった蛍光Ｆは、クラッド層との界面で全反射するようになり、光導波路伝搬し反射膜による吸収が起こらないので、出射光量は一層増加する。

【0028】

一方、蛍光の入射角θｐが全反射条件を満足しない場合として、例えば、蛍光体１６から、光導波路の中心軸Ｋに対して垂直な方向に発生した蛍光Ｃは、同様にクラッド層への入射角はθとなるが、このときに全反射角を満足できないとする。この場合は、蛍光Ｃは反射膜４ｄで反射されることになるが、次に反対側側面２ｃのクラッド層３ｃとの界面に入射する角度はさらにθだけ大きくなるので、これらの反射を繰り返すうちに蛍光体とクラッド層との界面で全反射条件を満足できるようになり、ついには光導波路伝搬することになる。光導波路の側面２ｄに直角に入射する場合においては、反射膜４ｄで反射することになるが、側面６ｃの界面に入射する角度はθだけ大きくなるので、出射端面側に向かって進行し、反射膜４ｃと反射膜４ｄで反射を繰り返すうちに入射角θｐが大きくなり、蛍光体とクラッド層との界面で全反射条件を満足できるようになり、光導波路伝搬するようになる。

【0029】

以上のことから、光導波路２の外周面が中心軸Ｋに対して傾斜している場合には、蛍光は出射側端面側か対向端面側のどちらかに進行し反射を繰り返し、蛍光体内で減衰してしまう蛍光をなくすことが可能となる。

【0030】

蛍光体１６から対向端面２ｅ側へ向かう蛍光Ｅについては、反射膜によって反射されるごとに、角度θだけ出射側端面側へと方向が変わるので、多重反射を繰り返していくうちに出射側端面側に伝搬方向が変化し、最終的に光導波路伝搬し出射側端面から出射される。それでも対向端面に到達した蛍光は、対向端面に設けた蛍光反射膜によって反射し、この光も最終的に光導波路伝搬し、出射側端面から出射することができる。

【0031】

図３の実施形態では、光導波路２の幅Ｗが、対向端面２ｅにおいてはＷＩであり、出射側端面２ｆにおいてはＷＯである。そして、幅Ｗは、ＷＩからＷＯに向かって大きくなっている。なお、本例では、光導波路の中心軸と側面２ｄとの角度θは２〜１３°である。本例では、側面２ｃは励起光の光軸と平行であり、側面２ｄは励起光の光軸に対して２θ傾斜している。

【0032】

また、好適な実施形態においては、光導波路の厚さが、対向端面から出射側端面へと向かって大きくなっている。例えば、図４の蛍光体素子５１においては、光導波路２の厚さＴが、対向端面２ｅにおいてはＴＩであり、出射側端面２ｆにおいてはＴＯである。そして、厚さＴは、ＴＩからＴＯに向かって大きくなっている。

【0033】

なお、αは、光導波路２の中心軸Ｋと底面２ａおよび上面２ｂとの傾斜角度である。本例では傾斜角度αは一定であり、２〜１３°である。αは、一定であることが好ましいが、一定である必要はなく、出射側端面と対向端面との間で変化していてもよい。好ましくは、厚さＴは、対向端面から出射側端面へと向かって連続的に、滑らかに増大している。

【0034】

なお、光導波路の幅を変化させた場合の作用効果は前述したが、厚みを変化させた場合も同様であり、上面、底面によって反射された蛍光は同様なメカニズムによって出射側端面から光導波路伝搬光として出射することができる。

【0035】

また、幅Ｗ、および厚みＴについて、双方とも対向端面から出射側端面に向かって連続的に大きくする構造とすることによって、蛍光体内で発生する全方向の蛍光に対して、光導波路伝搬光に変換することができ出射側端面に高効率に出射することができ、同じく光導波路伝搬する励起光とミキシングして高効率に白色光を取り出すことが可能となる。

【0036】

上述の実施形態では、光導波路の横断面形状を四辺形とした。しかし、光導波路の横断面形状は四辺形には限定されず、円形、楕円形、六角形等の多角形であってよい。

【0037】

例えば図７の蛍光体素子３１においては、横断面が円形である光導波路３２が設けられている。光導波路３２は、図７（ｂ）に示す出射側端面３２ｆと、図７（ｃ）に示す対向端面３２ｅと、出射側端面と対向端面との間の外周面３２ａを有している。光導波路３２の外周面３２ａ上にはクラッド層３３が設けられており、クラッド層３３上には反射膜３４が設けられている。出射側端面３２ｆの直径ＤＯは対向端面３２ｅの直径ＤＩよりも大きくなっており、外周面３２ａは中心軸に対して２〜１３°の角度で傾斜する傾斜面を形成している。

【0038】

好適な実施形態においては、光導波路の幅が、上面から底面へと向かって変化している。例えば、図８に示す蛍光体素子４１においては、光導波路４２は、横断面が台形をしており、細長く伸びている。光導波路４２の出射側端面４２ｆと対向端面４２ｅとの間に外周面が伸びており、外周面は、細長い底面４２ａ、底面４２ａに対向する上面４２ｂおよび一対の側面４２ｃ、４２ｄを有する。そして、光導波路４２の外周面をクラッド層３が被覆しており、クラッド層３を反射膜４が被覆している。

【0039】

そして、光導波路４２の幅が、上面における幅から底面における幅に向かって徐々に大きくなっている。なお、βは、光導波路４２の底面４２ａに対する側面４２ｃ（４２ｄ）の傾斜角度である。
本構造は、それのみでは蛍光の出射光量が増大する効果は期待できないが、光導波路の厚み方向に傾斜角度αだけ傾斜させた構造と組合せることによって、蛍光の出射光量を一層増大させることができる。つまり、光導波路の幅方向に伝搬する蛍光は、側面が傾斜角度β傾斜している場合、この側面、あるいはこの側面と平行な反射面で反射すると、光導波路の厚み方向に向かって伝搬するようになるので、光導波路の幅方向において角度θの傾斜を設けない場合でも、厚み方向の傾斜だけで光導波路伝搬するようにでき、出射光量を増大できる。

【0040】

本実施形態の作用効果について図９を参照して述べる。
本例では、蛍光体１６から、あらゆる方向へと蛍光が放射されるが、このうち真横に放射された光Ｇは、側面４２ｃ（４２ｄ）によって矢印Ｈのように反射される。このとき、側面４２ｃ（４２ｄ）が底面の法線Ｍに対して傾斜していることから、蛍光は底面へと向かって反射され、底面で更に矢印Ｉのように反射される。このように多重反射を繰り返すうちに、蛍光は、上面、底面、側面で反射されることになり、側面間で反復することはない。ここで、光導波路の幅と厚さとの少なくとも一方を前述のように出射側端面と対向端面との間で変化させていると、蛍光の出射側端面への出射が促進されることになる。このように傾斜した場合、側面で反射した蛍光は、反射した光を上・底面側に反射する光に向きを変えることができる。このことから厚みを変化した構造と組み合わせることによって、蛍光体内で発生する蛍光すべてに対して、出射側端面に光導波路伝搬光として高効率に出射することができ、同じく光導波路伝搬する励起光とミキシングして高効率に白色光を取り出すことが可能となる。

【0041】

上の例では、底面における光導波路幅を上面における光導波路幅よりも大きくしたが、底面における光導波路幅を上面における光導波路幅よりも小さくすることもできる。この観点からはどちらかの光導波路幅を零にする三角形状であってもよい。また、光導波路幅は、滑らかに変化させることが好ましいが、段階的に変化させてもよい。

【0042】

好適な実施形態においては、蛍光を反射する反射部が対向端面に設けられている。この蛍光を反射する反射部は、励起光を反射してもよく、あるいは励起光を透過してもよい。

【0043】

対向端面は、励起光を入射させるための入射面であってよい。この場合には、対向端面側には蛍光に対しては全反射し、励起光に対しては無反射となる膜が形成してあることが好ましい。あるいは、出射側端面が、前記励起光を入射させるための入射面であってよい。この場合には、対向端面側に、励起光を全反射する反射膜を設ける。

【0044】

本発明の導波路型蛍光体素子は、グレーティング（回折格子）を光導波路内に含んでいない無グレーティング型蛍光体素子であってよく、あるいはグレーティング素子であってよい。

【0045】

本発明では、光導波路の外周面が光導波路の中心軸に対して２°以上、１３°以下傾斜している傾斜部分を含む。この傾斜角度を２°以上とすることによって、出射側端面から発振する光強度を高くすることができる。この観点からは、傾斜角度を４°以上とすることが更に好ましい。また、この傾斜角度が１３°を超えると、出射側端面から出射する白色光の色ムラが大きくなるので、１３°以下とするが、１０°以下が更に好ましい。

【0046】

また、前記傾斜部分の面積は、光導波路の外周面の面積のうち３０％以上を占めていることが好ましく、５０％以上を占めていることが更に好ましく、１００％を占めていても良い。

【0047】

光導波路の幅Ｗや直径は、励起光を効率よく結合し出射光量を増加させるという観点からは、２０μｍ以上が好ましく、また５０μｍ以上が好ましい。一方、光導波路伝搬するという観点からは、Ｗは、９００μｍ以下が好ましく、５００μｍ以下が更に好ましく、３００μｍ以下が更に好ましい。

【0048】

出射側端面の面積ＡＯの対向端面の面積ＡＩに対する比率（ＡＯ／ＡＩ）は、本発明の観点からは、１．２以上が好ましく、１．４以上が更に好ましい。一方、ＡＯ／ＡＩは２０以下が好ましく、５．５以下が更に好ましい。

【0049】

光導波路の厚さＴは、励起光を効率よく結合し出射光量を増加させるという観点からは、２０μｍ以上が好ましく、また５０μｍ以上が好ましい。一方、本発明の観点からは、Ｔを９００μｍ以下とすることが好ましく、光導波路形成時の側面での表面粗さによる散乱の影響を小さくするという観点からは、２００μｍ以下が好ましく、１５０μｍ以下が更に好ましい。

【0050】

光導波路の底面の法線Ｍに対する各側面の傾斜角度β（図８、図９参照）は、出射光量を増加させるという観点からは、１０°以上が好ましく、１５°以上が更に好ましい。また、βは、５０°以下が好ましく、３５°以下が更に好ましい。

【0051】

光導波路の長さ（出射側端面と対向端面との間隔）Ｌ（図２参照）は特に限定されないが、一般的には蛍光を光導波路伝搬させるまで反射を繰り返す必要があるので、２００μｍ以上が好ましく、伝搬に伴う損失を低減するために２ｍｍ以下とすることもできる。

【0052】

反射膜の材質としては、金、アルミニウム、銅、銀、等の金属膜、またはこれらの金属成分が含まれる混晶膜、あるいは、誘電体多層膜であってよい。反射膜として金属膜を使用する場合には、クラッド層がはがれないようにするために、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ等の金属層を金属膜のバッファ層として形成することができる。

【0053】

クラッド層の材質は、蛍光体よりも屈折率の小さい材料であればよい。クラッド層と蛍光体との屈折率差は０．０５以上であることが好ましい。こうしたクラッド層の材料は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＭｇＯなどがよい。

【0054】

クラッド層と反射膜との間にバッファ層を設けることができる。こうした接合層の材質は特に限定はされないが、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンが好ましい。しかし熱伝導率が蛍光体よりも大きい方が好ましく、このような観点から酸化アルミニウムが最も好ましい。

【0055】

蛍光体は、蛍光体ガラス、単結晶、多結晶であってよい。蛍光体ガラスの場合は、ベースとなるガラス中に希土類元素イオンを分散したものである。

【0056】

ベースとなるガラスとしては、シリカ、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化バリウム、酸化亜鉛、酸化リン、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム、塩化バリウムを含む酸化ガラスが例示でき、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）であってもよい。

【0057】

ガラス中に分散される希土類元素イオンとしては、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄ、が好ましいが、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌｕであってもよい。

【0058】

蛍光体単結晶としてはＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｂａ_５Ｓｉ_１１Ａｌ_７Ｎ_２５、Ｔｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２が好ましい。また、蛍光体中にドープするドープ成分としては、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄ等の希土類元素イオンとする。熱劣化を抑制するという観点では、蛍光体は単結晶が好ましいが、多結晶であっても緻密体であれば粒界部での熱抵抗を下げることができ、かつ透光性をあげることができ、光導波路として機能することができる。

【0059】

光源としては、照明用蛍光体の励起用として高い信頼性を有するＧａＮ材料による半導体レーザーが好適である。また、一次元状に配列したレーザーアレイ等の光源も実現可能である。スーパールミネッセンスダイオードや半導体光アンプ（ＳＯＡ）であってもよい。

【0060】

半導体レーザーと蛍光体から白色光を発生する方法は、特には限定されないが、以下の方法が考えられる。
青色レーザーと蛍光体により黄色の蛍光を発生し、白色光を得る方法
青色レーザーと蛍光体により赤色と緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
また青色レーザーや紫外レーザーから蛍光体により赤色、青色、緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
青色レーザーや紫外レーザーから蛍光体により青色と黄色の蛍光を発生し白色光を得る方法

【実施例】

【0061】

（実施例Ａ１〜Ａ３および比較例Ａ１〜Ａ３）
図１、図２に示すような形態の蛍光体素子１を作製した。
ＣｅドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）単結晶からなる厚み３００μｍ、縦１５ｍｍ、横１５ｍｍの蛍光体からなる基板上に、Ａｌ_２Ｏ_３からなるクラッド層を厚さ０．３μｍ、反射膜としてアルミニウム合金を１μｍ成膜した。その後、２インチのサファイア基板に対して、上記の蛍光体基板を、前記アルミニウム合金膜を貼り合せ面として熱可塑性樹脂（ワックス）にて接着した。貼り合せた後の接合体を、蛍光体部分が幅１５ｍｍ×長さ２ｍｍになるように切断した。

【0062】

次に、ダイシング装置により幅２００μｍ、＃６０００のブレードにて溝加工を行い、水平方向に傾斜部分２ｃ、２ｄを形成した。各傾斜部分２ｃ、２ｄの傾斜角度θは、それぞれ、０°、２°、５°、１０°、１３°、１５°、２０°に変更した。蛍光体からなる光導波路の厚さは、出射側端面と対向端面との間で一定とした。

【0063】

次いで、上側クラッド層としてＡｌ_２Ｏ_３を２μｍ、反射膜としてアルミニウム合金を１μｍ成膜した。蛍光体からなる光導波路の側面には、クラッド層が０．３μｍ、金属膜０．５μｍ成膜していることを確認した。

【0064】

その後、光導波路の入力側と出力側を５０μｍ程度の端面研磨を行った。入射側の対向端面については、ＩＢＳ（Ion-beam Sputter Coater）成膜装置によって、励起光である４５０ｎｍ帯では無反射、蛍光である５６０ｎｍ帯では全反射となるダイクロイック膜を成膜した。最後に、素子幅１ｍｍとなるようにダイシング切断を行い、素子サイズ幅１ｍｍ×長さ１．９９ｍｍとし、ホットプレート上で加熱することで、サファイア基板から蛍光体素子を分離させ、図１、図２に示す蛍光体素子１を作製した。

【0065】

作製した素子について、波長４５０ｎｍのレーザー光を照射して、出力側から出射する出力光の明るさと色ムラを測定した。ただし、これらは以下のようにして測定した。

【0066】

（明るさ）
平均出力は、全光束の時間平均を表す。全光束測定は，積分球（球形光束計）を使用して、被測定光源と全光束が値付けられた標準光源とを同じ位置で点灯し、その比較によって行う。詳細には、ＪＩＳＣ７８０１にて規定されている方法を用いて測定を行った。

【0067】

（色ムラ）
出力した光を輝度分布測定装置を用いて色度図で評価を行った。そして、色度図において、中央値ｘ：０．３４４７±０．００５、ｙ：０．３５５３±０．００５の範囲にある場合は「色ムラなし」とし、この範囲外の場合には「色ムラあり」とした。

【0068】

【表1】

【0069】

この結果、表１に示すように、傾斜角度を２°以上とすることで、出力光の明るさが著しく向上した。また、傾斜角度が１３°を超えると、出力光に色ムラが発生することがわかった。この出力光を観察したところ、中心部では色ムラのない白色光となっていたが、外周部が蛍光のみしか存在していないパターンとなっており、角度を大きくするとこの現象が顕著となっていた。

【0070】

実施例Ａ１〜Ａ３の各蛍光体素子は、入射側端面はレーザー光のスポット形状と実装する際の十分な位置決め公差を含めた大きさの形状にしておくことによって、安価でかつ高効率の白色レーザーを実現でき、例えば４Ｗクラスのレーザーを使用した場合に、４５０ｌｍ以上の指向性の高い白色レーザー光を得ることができる。

【0071】

（実施例Ｂ１〜Ｂ３）
実施例１と同様にして蛍光体素子を作製した。ただし、実施例１と異なり、図４に示すように、厚み方向に光導波路２の側面２ａを角度αだけ傾斜させた。そして、実施例１と同様にして蛍光を発生させ、出射光の明るさと色むらとを測定した。結果を表２に示す。

【0072】

【表2】

【0073】

（実施例Ｃ１〜Ｃ７）
実施例Ａ１〜３と同様にして蛍光体素子を作製した。ただし、実施例Ａ１〜３と異なり、図８、図９に示すように、光導波路４２の各側面を底面の法線Ｍに対して角度βだけ傾斜させた。そして、実施例１と同様にして蛍光を発生させ、出射光の明るさと色むらとを測定した。結果を表３に示す。

【0074】

【表3】

【0075】

（比較例Ｄ１〜Ｄ３）
引き下げ法によって育成したＣｅドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）単結晶で直径が１５０μｍ、４９８μｍ、１０００μｍ、長さ２ｍｍのファイバ状の蛍光体に、Ａｌ_２Ｏ_３からなるクラッド層を厚さ０．３μｍ、反射膜としてアルミニウム合金を１μｍとなるように蛍光体の外周部に成膜した。

【0076】

その後、基板の入力側と出力側を５０μｍ程度の端面研磨を行い、入射側の端面については、ＩＢＳ（Ion-beam Sputter Coater）成膜装置にて励起光である４５０ｎｍ帯では無反射、蛍光である５６０ｎｍ帯では全反射となるダイクロイック膜を成膜し、長さ１．９９ｍｍの蛍光体素子を作製した。

【0077】

作製した素子について、実施例Ａ１〜３と同様にして出力光の明るさと色ムラを測定した。結果を表４に示す。

【0078】

【表4】

【0079】

この結果、表４に示すように、明るさは８００〜９００ｌｍ程度となり、実施例と比較して出射側に取り出すことができる照明光が小さくなった。これは、全反射できない成分は反射膜にて反射を繰り返すが、全反射膜の反射率が９０％以下となるために、反射毎に蛍光が減衰し出射側に到達できる照明光が小さくなると考えられる。色ムラについては、直径４９８μｍでは中心部では色ムラのない白色光となっていたが、外周部が蛍光のみしか存在していないパターンとなっており、直径を大きくすると、この現象が顕著となっていた。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】