特許 6827119 白色光発生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】6827119

(24)【登録日】2021年1月20日

(45)【発行日】2021年2月10日

(54)【発明の名称】白色光発生素子および照明装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/02 20060101AFI20210128BHJP

   H01L 33/50 20100101ALI20210128BHJP

   G02B 5/20 20060101ALI20210128BHJP

   F21V 9/32 20180101ALI20210128BHJP

   F21V 9/08 20180101ALI20210128BHJP

   F21V 29/502 20150101ALI20210128BHJP

   F21V 7/28 20180101ALI20210128BHJP

   F21Y 115/30 20160101ALN20210128BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/02

   H01L33/50

   G02B5/20

   F21V9/32

   F21V9/08 200

   F21V29/502 100

   F21V7/28

   F21Y115:30

【請求項の数】9

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2019-532144(P2019-532144)

(86)(22)【出願日】2018年2月16日

(86)【国際出願番号】JP2018005408

(87)【国際公開番号】WO2019159313

(87)【国際公開日】20190822

【審査請求日】2020年3月24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】岩田 雄一

(72)【発明者】

【氏名】江尻 哲也

【審査官】 小濱 健太

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１７／１１９３１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１６／１７０８０３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−０６０８７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

Ｈ０１Ｌ ３３／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長２８０ｎｍ以上、４９５ｎｍ以下のレーザー光を励起光とし、白色光を発生させる白色光発生素子であって，
前記励起光の波長よりも長波長の蛍光を発生する蛍光体であって、前記励起光および前記蛍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する蛍光体を備えており、
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、
前記蛍光体の前記外周面が前記蛍光体の全周にわたって前記蛍光体の中心軸に対して３．４°以上、２３°以下傾斜している傾斜部分を含んでおり、かつ
前記出射側端面の面積が０．３ｍｍ^２以上、１．５２ｍｍ^２以下であり、
前記蛍光体の横断面形状が台形であり、
前記蛍光体の前記外周面が、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おり、
前記蛍光体の前記外周面を全周にわたって被覆する反射膜を備えており、
前記蛍光体の前記外周面と前記反射膜の間に前記蛍光体を被覆する低屈折率層を備えていることを特徴とする、白色光発生素子。

【請求項2】

前記蛍光体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記載の素子。

【請求項3】

前記蛍光体の前記上面の幅が、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１または２記載の素子。

【請求項4】

前記蛍光体の厚さが、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１〜３のいずれか一つの請求項に記載の素子。

【請求項5】

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１〜４のいずれか一つの請求項に記載の素子。

【請求項6】

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１〜５のいずれか一つの請求項に記載の素子。

【請求項7】

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１〜５のいずれか一つの請求項に記載の素子。

【請求項8】

前記蛍光体を支持する放熱基板を備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の素子。

【請求項9】

励起光を発振する光源および白色光発生素子を備える照明装置であって、
前記白色光発生素子が、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の白色光発生素子であ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、青色レーザー光や青紫色レーザー光などから白色光を発生させるための素子および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。

【0006】

また、特許文献３では、ＬＥＤ光源からの白色光を蛍光体に入射させ、蛍光体の発光面から白色光を放射させる。この際、蛍光体の外周面の光軸に対する傾斜角度を１５〜３５°とし、好ましくは３０〜３５°とする。この傾斜角度を大きくすることで、反射時に発光面へと進む光量が増える。蛍光体の寸法は、典型的には幅５０ｍｍ以上である（特許文献３図７参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【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】

【0008】

【特許文献1】特許第４２９９８２６

【特許文献2】特許第５２１４１９３

【特許文献3】特許第５６７９４３５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

本発明者は、特許文献３記載の蛍光体に対して青色光を照射し、白色光を発生させることも試みた。これによって、蛍光体の発光面からの出射光量は増加させることができたが、しかし蛍光体の発光面から出射する光には顕著な色ムラが見られ、均一な白色光が得られないことがわかった。

【0013】

本発明の課題は、蛍光体に励起光を入射させ、励起光および蛍光を放射させて白色光を得る素子において、蛍光体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】

【0014】

本発明に係る白色光蛍光体素子は、
波長２８０ｎｍ以上、４９５ｎｍ以下のレーザー光を励起光とし、白色光を発生させる白色光発生素子であって，
前記励起光の波長よりも長波長の蛍光を発生する蛍光体であって、前記励起光および前記蛍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する蛍光体を備えており、
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、
前記蛍光体の前記外周面が前記蛍光体の全周にわたって前記蛍光体の中心軸に対して３．４°以上、２３°以下傾斜している傾斜部分を含んでおり、かつ
前記出射側端面の面積が０．３ｍｍ^２以上、１．５２ｍｍ^２以下であり、
前記蛍光体の横断面形状が台形であり、
前記蛍光体の前記外周面が、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おり、
前記蛍光体の前記外周面を全周にわたって被覆する反射膜を備えており、
前記蛍光体の前記外周面と前記反射膜の間に前記蛍光体を被覆する低屈折率層を備えていることを特徴とする。

【0015】

また、本発明は、励起光を発振する光源および前記白色光発生素子を備える照明装置に係るものである。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、蛍光体に励起光を入射させ、励起光および蛍光を放射させて白色光を得る素子において、蛍光体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。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る白色光発生素子１を示す模式図である。

【図2】（ａ）は、図１の白色光発生素子１の要部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3】白色光発生素子１の平面的寸法を示す模式図である。

【図4】他の実施形態に係る白色光発生素子１１の平面的寸法を示す模式図である。

【図5】本発明の実施形態に係る白色光発生素子１の厚さ方向の寸法を示す模式的断面図である。

【図6】比較例に係る白色光発生素子２１における光の伝搬状態を示す模式図である。

【図7】白色光発生素子１における光の伝搬状態を示す模式図である。

【図8】（ａ）は、本発明の実施形態に係る白色光発生素子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9】白色光発生素子４１の横断面を示す模式図である。

【図10】白色光発生素子４１の横断面における光の伝搬を示す模式図である。

【図11】図９、図１０の白色光発生素子４１を放熱基板１５上に設けた実施形態を示す模式図である。

【図12】本発明の他の実施形態に係る白色光発生素子５１を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１〜図３は、本発明の実施形態に係る白色光発生素子１を示す。
白色光発生素子１の支持基板１５には突起１５ａが複数設けられており、突起１５ａの間に溝１６が設けられている。そして、突起１５ａの表面１５ｂ上には、底面側反射膜４ａ、接合層１８、底面側低屈折率層３ａ、蛍光体２が設けられている。

【0019】

蛍光体２の底面２ａには底面側低屈折率層３ａが設けられており、上面２ｂには上面側低屈折率層３ｂが設けられており、各側面２ｃ、２ｄ上にはそれぞれ側面側低屈折率層３ｃ、３ｄが設けられている。更に、上面側低屈折率層３ｂ上には上面側反射膜４ｂが設けられており、各側面側低屈折率層３ｃ、３ｄ上にそれぞれ側面側反射膜４ｃ、４ｄが設けられている。上面側反射膜４ｂの上には、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。

【0020】

本実施形態では、溝１６の側壁面１６aおよび底壁面１６ｂが凹部側低屈折率層３ｅ、３ｆによって被覆されており、凹部側低屈折率層３ｅ、３ｆが、凹部側反射膜４ｅ、４ｆによって被覆されている。そして、凹部側低屈折率層３ｅと側面側低屈折率層３ｃとが連続しており、凹部側反射膜４ｅと側面側反射膜４ｃ、４ｄとが連続している。３は低屈折率層であり、４は反射膜である。

【0021】

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。

【0022】

本実施形態によれば、蛍光体２内で変換された蛍光のうち、蛍光体２と低屈折率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。また、蛍光体の全反射条件を満足できずに低屈折率層内に入射した蛍光は、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蛍光体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。

【0023】

なお、本実施形態では、図１２に示すように、蛍光体２の底面２ａ、上面２ｂおよび／または各側面２ｃ、２ｄ上に反射膜がない場合も適用される。この場合、上面２ｂ、側面２ｃ、２ｄ上に低屈折率層を設けず、空気層としてもよい。

【0024】

その上で、蛍光体の中心軸に対して傾斜する傾斜部分を蛍光体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蛍光体の外周面に設けない場合について述べる。図６はこの形態に係るものである。

【0025】

図６に示す比較例の蛍光体素子２１においては、蛍光体１２の幅Ｗが一定であり、厚さも一定である。また蛍光体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が蛍光体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。

【0026】

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で低屈折率層との界面に達する。ここで、蛍光体の屈折率ｎｐ、低屈折率層の屈折率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、出射側に伝搬し、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、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、このように到達した蛍光は出射側端面１２ｆに入射する角度が大きくなり、出射面における蛍光体１２と空気の全反射条件を満足してしまうので外部に取り出すことができない。

【0027】

低屈折率層を設けず、各反射膜が蛍光体に直接接触している場合には、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の大部分は入射側端面１２ｆへの入射角が大きく全反射してしまうため外部に取り出すことが難しい。

【0028】

蛍光体１６から、蛍光体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、蛍光体内で反射を繰り返し、最終的に減衰することになる。また、蛍光体粒子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。

【0029】

一方、図３の素子１においては、蛍光体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、蛍光体２の中心軸Ｋと側面２ｃ、側面２ｄとの角度である。また、蛍光体の中心軸とは、対向端面の中心と出射面の中心とを結ぶ直線とする。本例では角度θは一定であり、かつ本発明により３．４〜２３°の範囲内である。

【0030】

なお、傾斜角度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。

【0031】

ここで、図７に示すように、励起光Ａが蛍光体内を伝搬し、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で低屈折率層との界面に達する。蛍光体の屈折率ｎｐ、低屈折率層の屈折率ｎｃ、入射角度θｐが全反射条件を満足している場合には、蛍光は界面で矢印Ｈのように反射し出射側に伝搬する。

【0032】

例えば蛍光体の側面２ｄが中心軸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６の例に比べてθだけ大きくなり、低屈折率層との界面で全反射しやすくなる。このため図６の例で全反射条件を満足できなかった蛍光Ｆは、低屈折率層との界面で全反射するようになり、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。

【0033】

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、蛍光体の中心軸Ｋに対して垂直な方向に発生した蛍光Ｃは、同様に低屈折率層への入射角は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の低屈折率層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低屈折率層との界面で全反射条件を満足できるようになる。これにより今度は出射側端面１２ｆでは、入射する角度は小さくなり全反射することなく蛍光を外部に取出すことができる。蛍光体の側面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２ｃ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、蛍光体と低屈折率層との界面で全反射条件を満足できるようになり、蛍光の取出し効率を向上できる。
低屈折率層は、蛍光体１６の屈折率よりも小さく、数値が小さいほど全反射条件を満足できる前記の入射角を小さくでき全反射しやすくなる。このことから低屈折率を空気とする場合は、あえて反射膜を設けなくても取出し効率を向上することができる。

【0034】

以上のことから、蛍光体２の外周面が中心軸Ｋに対して傾斜している場合には、出射側に伝搬する蛍光に対して蛍光体と低屈折率層と界面に入射する角度を大きくでき全反射し易くなる。このように反射して出射側に到達した蛍光は、出射側端面１２ｆで全反射することなく外部に効率良く取出すことが可能となる。

【0035】

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、この光も最終的に伝搬し、出射側端面から出射することができる。

【0036】

これらに加えて、本発明は、波長２８０ｎｍ以上、４９５ｎｍ以下のレーザー光を励起光とし、白色光を発生させる素子を対象とする。この波長は、青色レーザー光、青紫色レーザー光、紫色レーザー光に対応する波長領域である。この波長領域のレーザー光を素子の蛍光体に励起光として入射させ、励起光と蛍光とを出射側端面から出射させる。
蛍光の波長は５００〜８００ｎｍとすることが好ましい。

【0037】

この際、出射側端面の面積を対向端面の面積よりも大きくし、かつ出射側端面の面積を０．３ｍｍ^２以上、１．５２ｍｍ^２以下とする。蛍光体の外周面に全周にわたって前記傾斜面を設けることで、出射側端面の面積を対向端面の面積よりも大きくできる。しかし、指向性の強い励起光は蛍光体内で蛍光よりも光が広がらず、出射側端面の周縁部分で蛍光の強度比率が高くなり、色ムラが生ずるため、蛍光発生素子として使用することが難しくなることがわかった。このため、出射側端面の面積を１．５２ｍｍ^２以下とすることによって、出射する蛍光輝度の面内分布を抑制し、白色光の色ムラを防止することが可能となった。

【0038】

こうした観点からは、出射側端面の面積を１．４ｍｍ^２以下とすることが更に好ましい。また、出射側端面の面積が０．３ｍｍ^２未満となると、白色光の取り出し効率が低下するので、０．３ｍｍ^２以上とするが、０．５ｍｍ^２以上とすることが更に好ましく、１．０ｍｍ^２以上とすることが特に好ましい。

【0039】

屈折率の高いコア部を屈折率の低いクラッド部で挟んだ蛍光体内では、コアがある程度小さい領域では、全反射を繰り返すうちにこの構造の中で干渉することで、光の強め合う部分と弱め合う部分が起こり、定在波が立つ。このような状況では、光が伝搬する伝搬速度が材料の屈折率で決まる固有値となり、出射側の光強度分布もパターン化する。コアのサイズが更に大きくなると、いわゆる多モードのさらなる多数伝搬速度をもつ光が伝搬するようになる。この際、出射端面の面積が１．０ｍｍ^２を以上となると、出射側の光強度分布がパターン化されず、面内分布がバラバラとなるので色ムラが一層生じ易くなる。こうした点で、本発明が一層有用となる。

【0040】

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、２以上が好ましく、３以上が更に好ましい。一方、ＡＯ／ＡＩは１１０以下が好ましく、１００以下が更に好ましく、９０以下が特に好ましい。

【0041】

図４の実施形態では、蛍光体２Ａ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、蛍光体の中心軸Ｋと側面２ｃ、２ｄとの角度はθ2c、θ2dは３．４〜２３°である。本例では、側面２ｃと中心軸Ｋのなす角度はθ2cであり、側面２ｄとのなす角度はθ2d傾斜している。

【0042】

また、本発明の実施形態においては、蛍光体の厚さも、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５の素子においては、蛍光体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。

【0043】

なお、α2a、α2bは、蛍光体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α2a、α2bは一定であり、３．４〜２３°である。α2a、α2b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。

【0044】

なお、蛍光体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効率良く取出すことができる。

【0045】

また、本発明に従い、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、蛍光体と低屈折率層との全反射条件で反射して出射側に低損失で伝搬し出射側端面に高効率で取り出すことができ、同じく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。

【0046】

上述の実施形態では、蛍光体の横断面形状を四辺形とした。しかし、蛍光体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。これらの場合にも、蛍光体の横断面に沿って切ってみたときに、全周にわたって中心軸に対して傾斜する傾斜部分を設ける。

【0047】

例えば図８の素子３１においては、横断面が円形である蛍光体３２が設けられている。蛍光体３２は、図８（ｂ）に示す出射側端面３２ｆと、図８（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。蛍光体３２の外周面３２ａ上には低屈折率層３３が設けられており、低屈折率層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Ｋに対して３．４〜２３°の角度で傾斜する傾斜面を形成している。

【0048】

好適な実施形態においては、蛍光体の幅が、上面から底面へと向かって変化している。例えば、図９に示す素子４１においては、蛍光体４２は、横断面が台形をしており、細長く伸びている。蛍光体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、蛍光体４２の外周面を低屈折率層３が被覆しており、低屈折率層３を反射膜４が被覆している。

【0049】

そして、蛍光体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、蛍光体４２の底面４２ａの法線Ｍ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、蛍光体の厚み方向に傾斜角度（α2a＋α2b）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、蛍光体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、蛍光体の厚み方向に向かって伝搬するようになるので、蛍光体の幅方向において角度θの傾斜が小さい場合でも、厚み方向の傾斜との組み合わせで出射側に伝搬するようにでき、出射光量を増大できる。

【0050】

本実施形態の作用効果について図１０を参照して述べる。
本例では、蛍光体粒子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、蛍光体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、出射側端面に伝搬光として高効率に出射することができ、同じく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。

【0051】

上の例では、底面における蛍光体幅を上面における蛍光体幅よりも大きくしたが、底面における蛍光体幅を上面における蛍光体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蛍光体幅を零にする三角形状であってもよい。また、蛍光体幅は、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。

【0052】

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。

【0053】

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。または、対向端面側には励起光に対して無反射となる膜が形成してあるだけでもよい。
さらに、出射側端面に蛍光および励起光に対して無反射となる膜を形成してもよい。

【0054】

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、励起光および蛍光を全反射する反射膜を設ける。

【0055】

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）を蛍光体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。

【0056】

本発明では、蛍光体の外周面が、全周にわたって蛍光体の中心軸に対して３．４°以上、２３°以下傾斜している傾斜部分を含む。この傾斜角度を３．４°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７．５°以上とすることが更に好ましい。また、この傾斜角度が２３°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、２３°以下とするが、２１°以下が更に好ましい。

【0057】

また、前記傾斜部分の面積は、蛍光体の外周面の全長にわたって設けられている必要はなく、外周面の一部において全周にわたって設けられていれば良い。傾斜部分の面積は、蛍光体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。

【0058】

蛍光体の幅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、本発明の観点からは、Ｗは、９００μｍ以下が好ましく、光導波路伝搬させる観点からは、５００μｍ以下が更に好ましく、３００μｍ以下が更に好ましい。

【0059】

対向側端面の蛍光体の厚さＴＩ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、光導波路伝搬させるという観点からは、５００μｍ以下が好ましい。さらに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。

【0060】

対向側端面の蛍光体の底面の法線Ｍに対する各側面の傾斜角度β（図９、図１０参照）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。

【0061】

蛍光体の長さ（出射側端面と対向端面との間隔）Ｌ（図３参照）は特に限定されないが、一般的には蛍光を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。

【0062】

好適な実施形態においては、支持基板に、側壁面と底壁面とを有する溝が形成されており、側壁面と底壁面とを被覆する凹部側低屈折率層と、この凹部側低屈折率層上に設けられた凹部側反射膜を備えており、凹部側低屈折率層と側面側低屈折率層とが連続しており、凹部側反射膜と側面側反射膜とが連続している。例えば図１１の実施形態では、放熱基板１５上に、図１、図８〜図１０に示すような形態の素子４１が設けられている。蛍光体と低屈折率層との界面の全反射条件を満たさない角度で入射した蛍光は、通常は反射されずに低屈折率層中に放射されるが、この場合は各反射膜によって反射される。したがって、このような反射を繰り返し蛍光体を伝搬し出射側端面に到達することができる。

【0063】

さらに、本実施形態の作用効果として放熱特性の改善をあげることができる。
蛍光体は励起光から蛍光に変換するときに変換損失に伴う発熱が起こり、この発熱により蛍光体自身の温度が上昇すると、変換効率の低下に至り、励起光量と蛍光量のバランスが変化して色むらの原因となる。また、反射膜に吸収されて反射膜が発熱し、これによって蛍光体の温度が上昇して同様に光特性が変化する場合がある。

【0064】

しかし、本実施形態では、蛍光体で発生した熱が、直接、底面側の低屈折率層、反射膜を介して支持基板に放射される伝熱パスがあるだけでなく、上面および各側面に設けられた低屈折率層、反射膜を通じて凹部側低屈折率層および凹部側反射膜に向かって支持基板側に伝導し、支持基板に放射できるので、蛍光体の熱劣化に伴う変換効率低減を抑制でき、この結果、発熱による色ムラの変動を抑制できる。

【0065】

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、低屈折率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。

【0066】

低屈折率層の材質は、蛍光体よりも屈折率の小さい材料であればよい。低屈折率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。こうした低屈折率層の材料は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＭｇＯなどがよい。また、上記の伝熱パスを考慮すると、低屈折率層は熱伝導率が大きい方が好ましく、このような観点からＡｌ_２Ｏ_３が最も好ましい。

【0067】

低屈折率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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

蛍光体単結晶としてはＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ＹＡＧ）、Ｂａ_５Ｓｉ_１１Ａ_ｌ７Ｎ_２５、Ｔｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、（Ｌｕ_1-xＣｅ_x）_３＋ｄＡｌ_５-ｄＯ_１２（ＬｕＡＧ）、サイアロンが好ましい。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、Ｌｕ、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、低損失な白色光発生素子として機能することができる。

【0072】

出射側端面から放射する白色光の色ムラを更に低減するためには、蛍光体中で励起光と蛍光を散乱させる構造をもつ蛍光体を使用することができる。これらの光を散乱させるには、蛍光体に不純物を添加する構造、焼結温度を調整し失透させる構造、気泡を混入させる構造がある。

【0073】

好適な実施形態においては、波長５６０ｎｍ、厚み１ｍｍでの蛍光体の直線透過率を１０％以上、９５％以下（好ましくは１５〜９０％）とする。

【0074】

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適用可能である。
放熱基板１５としては、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、シリコン、窒化珪素、タングステン、銅タングステン、酸化マグネシウムなどを例示することができる。

【実施例】

【0075】

（実験Ａ）
図１〜図３に示すような形態の蛍光体素子１を作製した。
具体的には、厚み１ｍｍ、４インチウエハーの窒化アルミニウムからなる放熱基板１５上に、スパッタリングにて、Ａｌ_２Ｏ_３からなる剥離防止膜（図示せず）を０．２μｍ、Ａｌからなる反射膜を０．５μｍ成膜した。次に、Ａｌ_２Ｏ_３からなる接合層を０．３μｍ成膜した。また、波長５６０ｎｍでの厚み１ｍｍあたり直線透過率５０％のＣｅをドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）多結晶からなる厚み１ｍｍ、４インチ蛍光体ウエハー上にＡｌ_２Ｏ_３からなる低屈折率酸化膜（低屈折率層）を厚さ０．３μｍ成膜した。さらに、両者をＡｌ_２Ｏ_３層同士でイオンガンによる常温直接接合にて貼り合わせを行った。

【0076】

幅１００μｍ、＃８００のブレードを使用してダイシングにより複数回切削加工して溝を２本形成して、入力部の幅Ｗ１５０μｍ、厚みＴ１００μｍを固定して、水平方向傾斜角θが０〜２５°、厚み方向傾斜角α2a、α2bがそれぞれ変化するリッジ型光導波路を形成し、出射側の蛍光体面積が異なるサンプルを作製した。

【0077】

さらに、リッジ光導波路形成面にＡｌ_２Ｏ_３からなる低屈折率層を０．３μｍ、Ａｌからなる反射膜を０．５μｍ、Ａｌ_２Ｏ_３からなる保護膜（図示せず）を０．２μｍ形成した。
成膜後、複合ウエハーをダイシングにて幅２００μｍ、＃４０００のブレードにて蛍光体長２ｍｍのバー状に切断し、両端面を光学研磨した。その後、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波長４５０ｎｍでは無反射、蛍光である波長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、成膜後の切断で使用したブレードを使用して幅１ｍｍにチップ切断をして、各例の白色光発生素子を作製した。

【0078】

チップ化した各素子は、出力３ＷのＧａＮ系青色レーザー光源を使用して照明光の評価を行った。各例の素子の評価結果を表１、表２に示す。

【0079】

（白色光出力）
白色光出力（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。

【0080】

（色ムラ面内分布）
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。

【0081】

【表1】

【0082】

【表2】

【0083】

表１、表２からわかるように、本発明によって、白色光出力を高く維持でき、同時に色ムラの面内分布を低くすることができた。

【0084】

（実験Ｂ）
実験Ａと同様にして、表３に示す各例の素子を製造した。ただし、本例では、図９〜図１１に示すように、蛍光体の側面の底面の法線に対する角度βを、表３に示すように変更した。この際には、蛍光体の加工を、幅１００μｍ、＃８００のブレードを使用してダイシングによるセットバック加工にて溝を２本加工して、台形形状のリッジ導波路を形成した。各例の素子について、白色光出力と色ムラ面内分布を測定し、表３に示した。

【0085】

【表3】

【0086】

表３からわかるように、本発明によって、白色光出力を高く維持でき、同時に色ムラの面内分布を低くすることができる上、角度βを大きくすることで、白色光出力を一層改善することができた。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】