JP2020118946A - 色変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】変換効率を向上可能な色変換素子を提供する。【解決手段】色変換素子１は、基板２と、基板２上に配置された蛍光部３であって、外部からのレーザー光Ｌを受光して、当該レーザー光Ｌとは異なる色の光を放出する蛍光部３と、蛍光部３における基板２とは反対側の第一主面（表面３１）に対して積層された第一平坦化層６と、蛍光部３における基板２側の第二主面（背面３２）に対して積層された第二平坦化層７と、第二平坦化層７における基板側の主面（背面）に積層され、誘電体多層膜からなる反射層４と、反射層４と基板２との間に介在して、反射層４と基板２とを接合する接合部５と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、基板上に蛍光部が積層された色変換素子に関する。

例えば、プロジェクタなどの投影装置に用いられる蛍光体ホイール（色変換素子）においては、放熱性を高めるべく、蛍光部と基板とを熱伝導性接着剤で接合した技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。また、基板における蛍光部側の主面には、反射層が積層されており、これにより、蛍光部からの光を反射層で反射することで変換効率が高められている。

特開２０１６−９９５６６号公報

近年においては、色変換素子における色変換の変換効率をさらに高めることが望まれている。

そこで本発明は、変換効率を向上可能な色変換素子を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る色変換素子は、基板と、基板上に配置された蛍光部であって、外部からのレーザー光を受光して、当該レーザー光とは異なる色の光を出射する蛍光部と、蛍光部における基板とは反対側の第一主面に対して積層された第一平坦化層と、蛍光部における基板側の第二主面に対して積層された第二平坦化層と、第二平坦化層における基板側の主面に積層され、誘電体多層膜からなる反射層と、反射層と基板との間に介在して、反射層と基板とを接合する接合部と、を備える。

本発明に係る色変換素子によれば、変換効率を高めることができる。

実施の形態に係る色変換素子の概略構成を示す模式図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線を含む切断面を見た断面図である。 実施の形態に係る反射層が積層される基材の表面粗さＲａと、反射率との関係を示すグラフである。 変形例１に係る色変換素子の概略構成を示す断面図である。 変形例２に係る色変換素子の概略構成を示す平面図である。 変形例３に係る色変換素子の概略構成を示す断面図である。 変形例４に係る色変換素子の概略構成を示す断面図である。 変形例５に係る色変換素子の概略構成を示す断面図である。 変形例６に係る色変換素子の概略構成を示す断面図である。 変形例７に係る色変換素子の概略構成を示す断面図である。 変形例８に係る色変換素子の概略構成を示す断面図である。 変形例９に係る照明装置の概略構成を示す模式図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る色変換素子について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである
。従って、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態等は、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図においては、同じ構成部材に対して同じ符号を付している。

以下、実施の形態について説明する。

図１は、実施の形態に係る色変換素子の概略構成を示す模式図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線を含む切断面を見た断面図である。

色変換素子１は、プロジェクタ等の投影装置に用いられる蛍光体ホイールである。投影装置には、光源部として、青紫〜青色（４３０〜４９０ｎｍ）の波長のレーザー光Ｌを色変換素子１に対して放射する半導体レーザー素子が設けられている。色変換素子１は、光源部から照射されたレーザー光Ｌを励起光として、白色光を放射する。以下、色変換素子１について具体的に説明する。

図１及び図２に示すように、色変換素子１は、基板２と、蛍光部３と、第一平坦化層６と、第二平坦化層７と、反射層４と、接合部５とを備えている。なお、以降の説明において、色変換素子１をなす各積層体の光源側の主面を「表面」と称し、その反対側の主面を「背面」と称する。また、図１及び図２においては、レーザー光Ｌをドットハッチングで図示している。色変換素子１において、レーザー光Ｌが照射される領域を照射領域Ｒと称す。照射領域Ｒは固定されているが、色変換素子１が回転するために、照射領域Ｒは相対的に色変換素子１上を周方向に移動することになる。

基板２は、平面視形状が例えば円形状の基板であり、その中央部に貫通孔２１が形成されている。貫通孔２１に対して、投影装置内にある回転軸が取り付けられることで、基板２が回転駆動するようになっている。

基板２は、蛍光部３よりも熱伝導率の高い基板である。これにより、蛍光部３から伝導した熱を基板２から効率的に放熱できるようになっている。具体的には、基板２は、Ａｌ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｆｅ、Ｔｉなどの金属材料から形成されている。なお、基板２は、蛍光部３よりも熱伝導率が高いのであれば、金属材料以外から形成されていてもよい。金属材料以外の材料としては、Ｓｉ、セラミック、サファイア、グラファイトなどが挙げられる。基板２の１つの表面２２は平坦状に形成されており、当該表面２２側に蛍光部３が配置されている。

蛍光部３は、全体として肉厚が均一である。蛍光部３は、例えば、レーザー光Ｌによって励起されて蛍光を発する蛍光体の粒子（蛍光体粒子３４）を分散状態で複数備えており、レーザー光Ｌの照射により蛍光体粒子３４が蛍光を発する。このため、蛍光部３の表面３１が発光面となる。表面３１は、蛍光部３における基板２とは反対側の第一主面である。また、蛍光部３の背面３２は、蛍光部３における基板２側の第二主面である。本実施の形態では、蛍光部３の背面３２の法線方向と、蛍光部３に対するレーザー光Ｌの入射方向とが略一致しているものとする。「略一致」とは、完全に一致しているだけでなく、数％程度の誤差を許容する表現である。また、蛍光部３における表面３１及び背面３２のそれぞれは、表面粗さＲａが１００ｎｍよりも大きくなっている。具体的には、蛍光部３の表面３１及び背面３２のそれぞれの表面粗さＲａは、２００ｎｍ程度である。

蛍光部３は、全体として平面視形状が環状に形成されている。この蛍光部３は、肉厚が均一なシート状の個片３３が複数、環状に配列されることにより形成されている。複数の個片３３は、同一形状であり、同一種類である。具体的には、個片３３は平面視台形状に形成されている。なお、個片３３はシート状であればその形状は如何様でもよい。個片３３のその他の平面視形状としては、矩形状、三角形状、その他の多角形状などが挙げられる。

隣り合う個片３３同士は、互いの隣り合う辺がほぼ一致するように配置されている。個片３３には、少なくとも一種類の蛍光体粒子３４が含まれている。本実施の形態の場合、個片３３は、白色光を放射するものであり、レーザー光Ｌの照射によって赤色を発光する赤色蛍光体、黄色を発光する黄色蛍光体、緑色を発光する緑色蛍光体の３種類の蛍光体粒子３４が適切な割合で含まれている。

蛍光体粒子３４の種類及び特性は特に限定されるものではないが、比較的高い出力のレーザー光Ｌが励起光となるため、熱耐性が高いものが望ましい。また、蛍光体粒子３４を分散状態で保持する基材３５の種類は特に限定されるものではないが、励起光の波長及び蛍光体粒子３４から発光する光の波長に対して透明性の高い基材３５であることが望ましい。具体的には、ガラス又はセラミックなどからなる基材３５が挙げられる。なお、蛍光部３は、１種類の蛍光体による多結晶体又は単結晶体であってもよい。

また、各個片３３における表面３１の全体には、第一平坦化層６が積層されており、各個片３３における背面３２の全体には、第二平坦化層７が積層されている。

第一平坦化層６は、蛍光部３（個片３３）の表面３１を直接的に覆って表面３１の微小な凹みを埋めることで平坦にしている。このため、第一平坦化層６の表面の表面粗さＲａは、蛍光部３の表面３１の表面粗さＲａよりも小さくなっている。

第二平坦化層７は、蛍光部３（個片３３）の背面３２を直接的に覆って背面３２の微小な凹みを埋めることで平坦にしている。このため、第二平坦化層７における背面の表面粗さＲａは、蛍光部３の背面３２の表面粗さＲａよりも小さくなっている。具体的には、第二平坦化層７の背面は、表面粗さＲａが２０ｎｍ以下であればよい。また、第二平坦化層７は、屈折率が蛍光部３の屈折率よりも小さい。

第一平坦化層６及び第二平坦化層７の少なくとも一方は、可視光透過率が９０％以上である。本実施の形態では、第一平坦化層６及び第二平坦化層７のそれぞれの可視光透過率が９０％以上とする。具体的には、第一平坦化層６は、透光性を有する材料により形成されている。透光性を有する材料としては、例えば透明樹脂またはＳｉＯ_２などが挙げられる。ＳｉＯ_２から第一平坦化層６が形成されていれば耐熱性を高めることができる。例えばシロキサンを含むペースト材料を各個片３３に塗布して焼き固めることで、ＳｉＯ_２からなる第一平坦化層６を形成することができる。第二平坦化層７についても、第一平坦化層６と同様の材料が採用されている。なお、第一平坦化層６と第二平坦化層７とが異なる材料であってもよい。

また、第一平坦化層６及び第二平坦化層７の少なくとも一方は、厚みが１．０μｍ以上である。本実施の形態では、第一平坦化層６及び第二平坦化層７のそれぞれの厚みが同じであることとするが、異なっていてもよい。

第一平坦化層６の表面の全体には、例えばＡＲコート層などの反射抑制層８が積層されている。この反射抑制層８によって光取り出し効率が高められている。第一平坦化層６の表面は、蛍光部３の表面３１よりも表面粗さＲａが小さいために、反射抑制層８も均一な層厚で第一平坦化層６の表面３１上に積層されることとなり、反射抑制層８が有する反射抑制性能をより確実に発揮させることができる。

第二平坦化層７の背面の全体には、第二平坦化層７を透過した光（レーザー光Ｌ及び蛍光体粒子３４から放射された光）を反射する反射層４が均一な肉厚で積層されている。

反射層４は、誘電体多層膜である。誘電体多層膜は、高屈折率（ｎ＝２．０〜３．０）の透明誘電体材料と低屈折率（ｎ＝１．０〜１．９）の透明誘電体材料とを交互に複数層積層したものである。誘電体多層膜は、材料の屈折率や誘電体多層膜の厚みを調整することで所望の反射特性を実現することができる。具体的には、反射層４をなす誘電体多層膜は、レーザー光Ｌと、蛍光体粒子３４から放射された光とに対して反射率が高くなるように、材料の屈折率や誘電体多層膜の厚みが調整されている。反射層４は、例えばスパッタリングまたは蒸着などによって、第二平坦化層７の背面に積層されている。第二平坦化層７の背面は、蛍光部３の背面３２よりも表面粗さＲａが小さいために、反射層４も均一な層厚で第二平坦化層７の背面上に積層されることとなり、反射層４が有する反射性能をより確実に発揮させることができる。

接合部５は、反射層４と基板２との間に介在して、反射層４と基板２とを接合している。具体的には、接合部５は、例えばシリコン樹脂などの樹脂系の接着剤により形成されている。接合部５が基板２の表面２２に塗布された後に、各個片３３の反射層４が接合部５に貼り付けられることで、各個片３３が基板２上で平面視環状の蛍光部３をなす。この状態では、各個片３３の反射層４も蛍光部３に倣って平面視環状をなしている。

接合部５は、第一接合部５１及び第二接合部５２を備えている。第一接合部５１及び第二接合部５２は、均一な肉厚である。第一接合部５１及び第二接合部５２は、径方向に所定の間隔をあけて配置された同心円環状に形成されている。第一接合部５１は、第二接合部５２よりも小径であり、当該第二接合部５２の内方に配置されている。第一接合部５１は、照射領域Ｒよりも内方に位置する反射層４の内周部と基板２とを接合している。

一方、第二接合部５２は、第一接合部５１よりも大径であり、当該第一接合部５１の外方に配置されている。第二接合部５２は、照射領域Ｒよりも外方に位置する反射層４の外周部と基板２とを接合している。

第一接合部５１と第二接合部５２との間には、これら第一接合部５１と第二接合部５２とに対して同心円環状の空気層５３が形成されている。第一接合部５１と第二接合部５２と空気層５３との中心は、色変換素子１の回転中心である。第一接合部５１と第二接合部５２とはそれぞれ周方向に連続した一体物であるので、第一接合部５１と第二接合部５２とによって空気層５３は密閉されている。

空気層５３は、反射層４及び基板２を露出させている。つまり、反射層４及び基板２は、空気層５３によって空気に触れた状態となっている。

空気層５３は、照射領域Ｒの少なくとも一部に平面視で重なる位置に配置されている。本実施の形態では、空気層５３は、平面視で照射領域Ｒの全体が収まる位置及び大きさに形成されている。上述したように空気層５３は、色変換素子１の回転中心を中心とした円環状であるので、色変換素子１が回転した場合には、常に空気層５３が照射領域Ｒに対して平面視で重なることとなる。

［投影装置の動作］
次に、投影装置の動作について説明する。

投影装置の光源からレーザー光Ｌが照射される際には、色変換素子１は回転駆動しながら反射抑制層８及び第一平坦化層６を介して蛍光部３でレーザー光Ｌを受光する。このとき、反射抑制層８によってレーザー光Ｌの反射が抑制されているので、大半のレーザー光Ｌを確実に蛍光部３内に進入させることができる。

蛍光部３では、一部のレーザー光Ｌが直接蛍光体粒子３４に当たる。また、蛍光体粒子３４に直接当たらなかった一部のレーザー光Ｌは、第二平坦化層７を介して反射層４で反射され、蛍光体粒子３４に当たる。蛍光体粒子３４に到達したレーザー光Ｌは、蛍光体粒子３４によって白色光に変換されて、放射される。蛍光体粒子３４から放射された白色光の一部は、蛍光部３から、第一平坦化層６及び反射抑制層８を介して直接外方に放出される。また、蛍光体粒子３４から放射された光のその他の一部は、反射層４で反射されることで、蛍光部３から第一平坦化層６及び反射抑制層８を介して外方へ放出される。

ここで、誘電体多層膜からなる反射層４では、僅かではあるが当該反射層４を透過する光がある。この対策のために、接合部５には空気層５３が設けられている。詳細に説明すると、上述したように照射領域Ｒでは、反射層４の直下に空気層５３が配置されている。この場合の臨界角θｃは、スネルの法則により以下の式（１）で表される。

θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）・・・（１）

ここで、入射元である蛍光部３の屈折率ｎ１を１．８とし、進行先である空気層５３の屈折率ｎ２を１．０とすると、臨界角θｃは３３．８度となる。なお、第二平坦化層７及び反射層４の厚さは、蛍光部３の厚さまたは空気層５３の厚さと比べると非常に薄く影響がわずかであるため、臨界角θｃの算出では無視している。

一方、接合部５に空気層５３が設けられていない場合を想定する。つまり、照射領域Ｒでは、反射層４の直下に接合部５が配置されて、反射層４が露出していない場合である。この場合には、入射元である蛍光部３の屈折率ｎ１を１．８とし、進行先である接合部５の屈折率ｎ２を１．４（接合部５がシリコン樹脂であるときの屈折率）とすると、臨界角θｃは５１．１度となる。

このように、本実施の形態では、接合部５に空気層５３が設けられていない場合と比べても、臨界角θｃを小さくすることができる。換言すると全反射する入射角度の範囲（９０度−θｃ）を大きくすることができる。上述したように、反射層４へは、レーザー光Ｌが直接入射するだけでなく、各蛍光体粒子３４から放出された白色光も入射する。この白色光における反射層４への入射角度は多様であるが、全反射する入射角度の範囲が大きくなっていれば、より多くの白色光を全反射することができる。したがって、誘電体多層膜である反射層４での反射率を高めることができる。特に、前述したように、反射層４が第二平坦化層７の背面上に積層されているのであれば、その反射性能を確実に発揮することができる。

［効果など］
以上のように、本実施の形態に係る色変換素子１は、基板２と、基板２上に配置された蛍光部３であって、外部からのレーザー光Ｌを受光して、当該レーザー光Ｌとは異なる色の光を放出する蛍光部３と、蛍光部３における基板２とは反対側の第一主面（表面３１）に対して積層された第一平坦化層６と、蛍光部３における基板２側の第二主面（背面３２）に対して積層された第二平坦化層７と、第二平坦化層７における基板側の主面（背面）に積層され、誘電体多層膜からなる反射層４と、反射層４と基板２との間に介在して、反射層４と基板２とを接合する接合部５と、を備えている。

これによれば、蛍光部３の表面３１には、第一平坦化層６が積層されている。第一平坦化層６の表面の表面粗さＲａを蛍光部３の表面３１の表面粗さＲａよりも小さいために、レーザー光Ｌが乱反射することを抑制することができ、レーザー光Ｌの大半を確実に蛍光部３内に進入させることができる。つまり、漏れ光を抑制することができる。

一方、蛍光部３の背面３２と、反射層４の表面との間には第二平坦化層７が介在している。第二平坦化層７の背面は、蛍光部３の背面３２よりも表面粗さＲａが小さいために、反射層４も均一な層厚で第二平坦化層７の背面上に積層されることとなる。これにより、反射層４が有する反射性能をより確実に発揮させることができる。

このように漏れ光を抑制するとともに、反射層４での反射率を高めることができることで、色変換素子１の変換効率を高めることができる。

ここで、蛍光部３の表面３１及び背面３２のそれぞれに対して研磨処理を施すことで、その平坦性を高めることも可能である。しかしながら、蛍光部３に対する研磨処理は、大幅なコストアップにつながり好ましくない。上記実施の形態のように第一平坦化層６及び第二平坦化層７を蛍光部３に積層する方式であれば、研磨処理も不要となり、製造コストを抑制することが可能となる。

また、接合部５は、蛍光部３におけるレーザー光Ｌが照射される照射領域Ｒの少なくとも一部に平面視で重なる位置に、反射層４を露出させる空気層５３を有する。

これによれば、空気層５３が照射領域Ｒの少なくとも一部に平面視で重なっているので、空気層５３が設けられていない場合と比べても、全反射する入射角度の範囲（９０度−θｃ）を大きくすることができる。したがって、誘電体多層膜である反射層４での反射率を高めることができ、変換効率を高めることができる。

特に、本実施の形態では、空気層５３が、平面視で照射領域Ｒの全体が収まる位置及び大きさに形成されているので、照射領域Ｒの全体に対して反射率を高めることができる。つまり、変換効率をより高めることができる。

また、第一平坦化層６における蛍光部３とは反対側の主面（表面）には、反射抑制層８が積層されている。

これによれば、第一平坦化層６の表面に反射抑制層８が積層されているので、レーザー光Ｌの反射を抑制することができる。これにより、大半のレーザー光Ｌを確実に蛍光部３内に進入させることができる。

また、第一平坦化層６の表面は、蛍光部３の表面３１よりも表面粗さＲａが小さいために、反射抑制層８も均一な層厚で第一平坦化層６の表面３１上に積層されることとなり、反射抑制層８が有する反射抑制性能をより確実に発揮させることができる。

また、第一平坦化層６及び第二平坦化層７の少なくとも一方は、可視光透過率が９０％以上である。

これによれば、第一平坦化層６及び第二平坦化層７の少なくとも一方の可視光透過率が９０％以上である。このため、色変換素子１が取り込む光（レーザー光Ｌ）及び色変換素子１が放出する光（白色光）を第一平坦化層６及び第二平坦化層７が吸収することを抑制することができる。したがって、色変換素子１の変換効率をより高めることができる。

また、第二平坦化層７は、屈折率が蛍光部３の屈折率よりも小さい。

これによれば、第二平坦化層７の屈折率が蛍光部３の屈折率よりも小さいので、反射層４の反射率を高めることができる。したがって、色変換素子１の変換効率をより高めることができる。

また、第一平坦化層６及び第二平坦化層７の少なくとも一方は、厚みが１．０μｍ以上である。

蛍光部３の表面３１及び背面３２のそれぞれにおいて、凸部の頂点と凹部の頂点との厚み方向の間隔は、概ね１．０μｍ以下である。第一平坦化層６及び第二平坦化層７の少なくとも一方の厚みが１．０μｍ以上であれば、蛍光部３の表面３１及び背面３２のそれぞれの凹部を埋めることができ、平坦化を確実に図ることができる。

また、第一平坦化層６及び第二平坦化層７の少なくとも一方は、ＳｉＯ_２により形成されている。

これによれば、第一平坦化層６及び第二平坦化層７の少なくとも一方が、ＳｉＯ_２により形成されているので、第一平坦化層６及び第二平坦化層７の耐熱性を高めることができる。したがって、長期的に安定した色変換素子１を実現することができ、結果的に変換効率も超規定に安定させることができる。

また、第二平坦化層７における反射層４側の主面（背面）は、表面粗さＲａが２０ｎｍ以下である。

これによれば、第二平坦化層７の背面の表面粗さＲａが２０ｎｍ以下であるので、反射率の低下を抑制することができる。図３は、実施の形態に係る反射層４が積層される基材の表面粗さＲａと、反射率との関係を示すグラフである。図３に示すように、波長４５０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲においては、基材の表面粗さＲａが小さくなるほど、反射率の低下が小さくなることがわかる。このため、反射層４が積層される第二平坦化層７の背面の表面粗さＲａを２０ｎｍ以下としている。なお、第二平坦化層７の背面の表面粗さＲａは、１０ｎｍ以下であればより反射率の低下を抑制することができ、５ｎｍ以下であればさらに反射率の低下を抑制することができ、２ｎｍ以下であればより一層反射率の低下を抑制することができる。

また、蛍光部３は、少なくとも一種類の蛍光体（蛍光体粒子３４）を含むシート状の複数の個片３３が面状に配列されることにより形成されている。

これによれば、蛍光部３が、面状に配列された複数の個片３３によって形成されているので、加熱時に作用する応力を分散させることができる。これにより、レーザー光Ｌの受光時における蛍光部３の変形を抑制することができる。したがって、蛍光部３と空気層５３との位置関係を安定化することができ、安定した反射特性を維持することができる。

ここで、全体として一体的に形成された蛍光部の場合、その平面視形状が環状であると、応力集中に弱く、上記した不具合が生じやすい。しかしながら、本実施の形態のように、複数の個片３３が環状に配置されることで形成された蛍光部３であれば、応力を分散させることができるので、高い応力緩和効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態では、蛍光部３が複数の個片３３から形成されている場合を例示
した。しかし、蛍光部は全体として一体成型された一体物であってもよい。

［変形例１］
次に、変形例１について説明する。図４は、変形例１に係る色変換素子１Ａの概略構成を示す断面図であり、具体的には図２に対応した図である。なお、以降の説明においては、実施の形態に係る色変換素子１と同等の部分には同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

上記実施の形態では、第一平坦化層６の表面に反射抑制層８が積層されている場合を例示した。この変形例１では、第一平坦化層６ａの表面には反射抑制層が設けられておらず、当該表面が露出している。第一平坦化層６ａの表面には、微小な複数の凹部６１ａ及び凸部６２ａからなる凹凸構造６３ａが全体にわたって形成されている。表面に凹凸構造６３ａを有さない第一平坦化層６ａに対して、例えばウェットブラスト処理を施すことにより、凹凸構造６３ａが形成される。第一平坦化層６ａは、上述したように透明樹脂またはＳｉＯ_２から形成されている。これらの材料よりも、蛍光部３の基材３５をなす材料（ガラスまたはセラミック）は脆いために、蛍光部３に対してウェットブラスト処理を施してしまうと、蛍光部３が砕けるおそれがある。第一平坦化層６ａに対してウェットブラスト処理を施すのであれば、蛍光部３自体を保護することが可能である。

このように、第一平坦化層６ａにおける蛍光部３とは反対側の主面（表面）は、微細な凹凸構造６３ａを有する。

これによれば、第一平坦化層６ａの表面に微細な凹凸構造６３ａが形成されているので、当該表面の反射率を低くすることができ、光の取り出し効率及び取り込み効率を高めることができる。

［変形例２］
次に、変形例２について説明する。図５は、変形例２に係る色変換素子１Ｂの概略構成を示す断面図であり、具体的には図２に対応した図である。なお、以降の説明においては、実施の形態に係る色変換素子１と同等の部分には同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

上記実施の形態では、第一平坦化層６の表面に反射抑制層８が積層されている場合を例示した。この変形例２では、第一平坦化層６ｂの表面には反射抑制層が設けられておらず、当該表面が露出している。第一平坦化層６ｂは、透光性を有する基体６５ｂと、基体６５ｂ内に分散された複数の中空粒体６４ｂとを備えている。つまり、第一平坦化層６ｂには、複数の中空粒体６４ｂが分散された状態で埋設されている。

基体６５ｂは、前述した透光性を有する材料により形成されている。中空粒体６４ｂは、外殻が透光性を有する材料から形成されており、その内部が空気を含む空洞となっている。中空粒体６４ｂの外殻の形成する材料としては、ＳｉＯ_２などが挙げられる。つまり、中空粒体６４ｂは、中空シリカと称すこともできる。中空シリカは、他の中空粒体よりも容易に製造できる点で好ましい。

中空粒体６４ｂは、全体として基体６５ｂ内に埋設されていることがよいため、中空粒体６４ｂの直径は、基体６５ｂの厚みよりも小さくなっている。さらに、中空粒体６４ｂの直径は、レーザー光Ｌの波長よりも小さいことがよい。上述したようにレーザー光Ｌの波長は、４３０ｎｍ〜４９０ｎｍの範囲に収まる値であるので、中空粒体６４ｂの直径はそれ以下の値となる。これにより、レーザー光Ｌと中空粒体６４ｂとの干渉を抑制することができる。例えば、レーザー光Ｌの波長が４５０ｎｍである場合には、中空粒体６４ｂの直径は４５０ｎｍよりも小さければよい。さらに、中空粒体６４ｂの直径は、レーザー光Ｌの波長の１／１０以下とすれば、より含有量を増やすことができるため屈折率をより下げることができ、フレネルロスの低減効果を高めることができる。具体的には、中空粒体６４ｂの直径は４０ｎｍ以下である。

このように、第一平坦化層６ｂは、分散された複数の中空粒体６４ｂを含んでいる。これにより、第一平坦化層６ｂの屈折率を低下させることができ、蛍光部３から放出された光が第一平坦化層６ｂで散乱されることを抑制することができる。

［変形例３］
次に、変形例３について説明する。図６は、変形例３に係る色変換素子１Ｃの概略構成を示す断面図であり、具体的には図２に対応した図である。なお、以降の説明においては、実施の形態に係る色変換素子１と同等の部分には同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

上記実施の形態では、接合部５が空気層５３を有している場合を例示した。この変形例３では、接合部５ｃが空気層を有していない場合を例示する。つまり、接合部５ｃは、反射層４の背面を全体的に覆っている。これにより、接合部５ｃは、蛍光部３における照射領域Ｒの全体に対して平面視で重なる位置に配置されている。ここで、接合部５ｃは、酸化物及び窒化物の少なくとも一方を含有するシリコン樹脂から形成されている。酸化物としては、例えばＴｉＯ_２、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３などが挙げられる。

このように、接合部５ｃは、酸化物及び窒化物の少なくとも一方を含有するシリコン樹脂から形成されており、蛍光部３におけるレーザー光Ｌが照射される照射領域Ｒの全体に平面視で重なる位置に配置されている。

これにより、蛍光部３における照射領域Ｒに対して直接、接合部５ｃが接触するために、蛍光部３の最も発熱する箇所（照射領域Ｒ）からの熱を、接合部５ｃを介して、基板２に伝導することができる。したがって、放熱性を高めることができる。特に、接合部５ｃは、酸化物及び窒化物の少なくとも一方を含有するシリコン樹脂から形成されているので、接合部５ｃ単体の熱伝導性が高められており、より高い放熱効果を発揮することができる。

なお、接合部５ｃは、蛍光部３における照射領域Ｒの少なくとも一部に対して平面視で重なっていたとしても、一定の放熱効果を得ることができる。

［変形例４］
次に、変形例４について説明する。図７は、変形例４に係る色変換素子１Ｄの概略構成を示す断面図であり、具体的には図４に対応した図である。なお、以降の説明においては、変形例２に係る色変換素子１Ａと同等の部分には同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

上記変形例２では、接合部５が空気層５３を有している場合を例示した。この変形例４では、接合部５ｄが空気層を有していない場合を例示する。つまり、接合部５ｄは、反射層４の背面を全体的に覆っている。これにより、接合部５ｄは、蛍光部３における照射領域Ｒの全体に対して平面視で重なる位置に配置されている。ここで、接合部５ｄは、酸化物及び窒化物の少なくとも一方を含有するシリコン樹脂から形成されている。

この変形例４においても、蛍光部３における照射領域Ｒに対して直接、接合部５ｄが接触するために、蛍光部３の最も発熱する箇所（照射領域Ｒ）からの熱を、接合部５ｄを介して、基板２に伝導することができる。したがって、放熱性を高めることができる。なお、接合部５ｄは、蛍光部３における照射領域Ｒの少なくとも一部に対して平面視で重なっていたとしても、一定の放熱効果を得ることができる。

［変形例５］
次に、変形例５について説明する。図８は、変形例５に係る色変換素子１Ｅの概略構成を示す断面図であり、具体的には図５に対応した図である。なお、以降の説明においては、変形例３に係る色変換素子１Ｂと同等の部分には同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

上記変形例３では、接合部５が空気層５３を有している場合を例示した。この変形例５では、接合部５ｅが空気層を有していない場合を例示する。つまり、接合部５ｅは、反射層４の背面を全体的に覆っている。これにより、接合部５ｅは、蛍光部３における照射領域Ｒの全体に対して平面視で重なる位置に配置されている。ここで、接合部５ｅは、酸化物及び窒化物の少なくとも一方を含有するシリコン樹脂から形成されている。

この変形例５においても、蛍光部３における照射領域Ｒに対して直接、接合部５ｅが接触するために、蛍光部３の最も発熱する箇所（照射領域Ｒ）からの熱を、接合部５ｅを介して、基板２に伝導することができる。したがって、放熱性を高めることができる。なお、接合部５ｅは、蛍光部３における照射領域Ｒの少なくとも一部に対して平面視で重なっていたとしても、一定の放熱効果を得ることができる。

［変形例６］
次に、変形例６について説明する。図９は、変形例６に係る色変換素子１Ｆの概略構成を示す断面図であり、具体的には図５に対応した図である。なお、以降の説明においては、変形例２と同等の部分には同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

上記変形例２では、第一平坦化層６ｂが単層構造である場合を例示した。この変形例６では、第一平坦化層６ｆが複数層構造である場合を例示する。

図９に示すように、第一平坦化層６ｆは、蛍光部３の表面３１に積層された第一層６１０ｆと、第一層６１０ｆにおける蛍光部３とは反対側の面（表面）に積層された第二層６２０ｆとを備えている。

第一層６１０ｆは、蛍光部３の表面３１を直接的に覆って表面３１の微小な凹みを埋めることで平坦にしている。このため、第一層６１０ｆの表面の表面粗さＲａは、蛍光部３の表面３１の表面粗さＲａよりも小さくなっている。第二層６２０ｆは、第一層６１０ｆの表面を直接的に覆っており、その表面の表面粗さＲａは、第一層６１０と同等以上となっている。

第一層６１０ｆには、中空粒体６４ｂが含まれておらず、第二層６２０ｆには、複数の中空粒体６４ｂが分散されている。

第一層６１０ｆと、第二層６２０ｆの基体６５ｂとは、それぞれＳｉＯ_２系の材料から形成されていればよい。第一層６１０ｆをなす材料と、第二層６２０ｆの基体６５ｂをなす材料とは、完全に同一な材料であってもよいし、ＳｉＯ_２系であればその添加物が異なっていてもよい。さらに、第二層６２０ｆの基体６５ｂをなす材料は、第一層６１０ｆをなす材料よりも屈折率が低いことが、フレネルロスを低減するうえで望ましい。

以上のように、変形例６に係る色変換素子１Ｆによれば、第一平坦化層６ｆは、蛍光部３の表面３１に積層された第一層６１０ｆと、第一層６１０ｆにおける蛍光部３とは反対側の面に積層された第二層６２０ｆとを備え、第一層６１０ｆには、粒体が含まれておらず、第二層６２０ｆには、複数の粒体（中空粒体６４ｂ）が分散されている。

これにより、蛍光部３の表面３１には、粒体が含まれていない第一層６１０ｆが積層されており、当該第一層６１０ｆによって平坦化が図られている。つまり、第一層６１０ｆの表面の表面粗さＲａを蛍光部３の表面３１の表面粗さＲａよりも小さいために、第二層６２０ｆを通過したレーザー光Ｌが乱反射することを抑制することができ、レーザー光Ｌの大半をより確実に蛍光部３内に進入させることができる。したがって、蛍光部３内に多くの光が取り込まれるために、蛍光部３から放出される光も増加させることができる。

［変形例７］
次に、変形例７について説明する。図１０は、変形例７に係る色変換素子１Ｇの概略構成を示す断面図であり、具体的には図９に対応した図である。なお、以降の説明においては、変形例６と同等の部分には同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

上記変形例６では、第一平坦化層６ｆが二層構造である場合を例示した。この変形例７では、第一平坦化層６ｇが四層構造である場合を例示する。

図１０に示すように、第一平坦化層６ｇは、第一層６１０ｆと、第一層６１０ｆにおける蛍光部３とは反対側の面（表面）に積層された第二層６２０ｇと、第二層６２０ｇにおける蛍光部３とは反対側の面（表面）に積層された第三層６３０ｇと、第三層６３０ｇにおける蛍光部３とは反対側の面（表面）に積層された第四層６４０ｇと、を備えている。

ここで、第一層６１０ｆには、中空粒体６４ｂは含まれていないが、第二層６２０ｇ、第三層６３０ｇ及び第四層６４０ｇには、複数の中空粒体６４ｂが分散されている。具体的には、中空粒体６４ｂの濃度（密度）は、第二層６２０ｇ＜第三層６３０ｇ＜第四層６４０ｇという関係性である。このように、各層（第一層６１０ｆ〜第四層６４０ｇ）における複数の中空粒体６４ｂの濃度は、第一平坦化層６ｇを全体的に見て蛍光部３から離れるにつれて漸増するように、決定されている。これにより、第一平坦化層６ｇ内においては、屈折率が蛍光部３から離れるにつれて減少することとなる。つまり、第一平坦化層６ｇの屈折率は、蛍光部３から離れるにつれて空気に近づくこととなる。例えば、第一層６１０ｆの屈折率は１．５、第二層６２０ｇの屈折率は１．４、第三層６３０ｇの屈折率は１．３、第四層６４０ｇの屈折率は１．２であり、蛍光部３から離れるにつれて空気の屈折率に近づく。

また、各層の基体をなす材料は、それぞれＳｉＯ_２系の材料から形成されていればよい。各層の基体をなす材料は、完全に同一な材料であってもよいし、ＳｉＯ_２系であればその添加物が異なっていてもよい。この場合においても、各層の基体がなす屈折率が、蛍光部３から離れるにつれて、徐々に低くなるような材料が選択されているとよい。

第一平坦化層６ｇの製造方法としては、例えば、ＳｉＯ_２系の粉末材料に対して、各層の濃度に応じた量の中空粒体６４ｂを添加することで、各層に対応した複数の準備材料を作成する。その後、蛍光部３の表面３１に対して第一層６１０ｆをなす準備材料を配置し焼結することで、第一層６１０ｆを形成する。次いで、第一層６１０ｆの表面に、第二層６２０ｇをなす準備材料を配置し焼結することで、第二層６２０ｇを形成する。次いで、第二層６２０ｇの表面に、第三層６３０ｇをなす準備材料を配置し焼結することで、第三層６３０ｇを形成する。次いで、第三層６３０ｇの表面に、第四層６４０ｇをなす準備材料を配置し焼結することで、第四層６４０ｇを形成する。これにより、第一平坦化層６ｇが形成される。

以上のように、変形例７に係る色変換素子１Ｇによれば、複数の粒体（中空粒体６４ｂ）の濃度は、第一平坦化層６ｇ内において蛍光部３から離れるにつれて漸増している。

これにより、第一平坦化層６ｇ内においては、屈折率が蛍光部３から離れるにつれて減少することとなる。したがって、フレネルロスを大幅に低減することができる。

また、第一平坦化層６ｇは、複数の層（第一層６１０ｆ、第二層６２０ｇ、第三層６３０ｇ及び第四層６４０ｇ）から形成されており、各層における複数の粒体（中空粒体６４ｂ）の濃度は、第一平坦化層６ｇを全体的に見て蛍光部３から離れるにつれて漸増するように、決定されている。

これによれば、中空粒体６４ｂの濃度の異なる複数の層から第一平坦化層６ｇが形成されているので、製造上、各層の中空粒体６４ｂの濃度をコントロールしやすい。したがって、各層の屈折率もコントロールすることが容易である。

なお、第一平坦化層は、三層構造であってもよいし、五層以上の層構造であってもよい。

［変形例８］
次に、変形例８について説明する。図１１は、変形例８に係る色変換素子１Ｈの概略構成を示す断面図であり、具体的には図５に対応した図である。なお、以降の説明においては、変形例２と同等の部分には同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

上記変形例７では、第一平坦化層６ｇが複数の層から形成されており、各層における複数の中空粒体６４ｂの濃度が異なっている場合について例示した。この変形例８では、第一平坦化層６ｈが単層であり、その層内において中空粒体６４ｂの濃度が異なっている。具体的には、第一平坦化層６ｈ内では、複数の中空粒体６４ｂの濃度が、蛍光部３から離れるにつれて漸増している。これにより、第一平坦化層６ｈ内においては、屈折率が蛍光部３から離れるにつれて減少することとなる。したがって、フレネルロスを大幅に低減することができる。

[変形例９]
上記実施の形態では、色変換素子１が投影装置に適用される場合を例示して説明したが、色変換素子は照明装置に用いることも可能である。その場合、色変換素子は回転しないために、ホイール状でなくともよい。以下、照明装置に用いられる色変換素子の一例について説明する。

図１２は、変形例９に係る照明装置１００の概略構成を示す模式図である。図１２に示すように、照明装置１００は、光源部１０１と、導光部材１０２と、色変換素子１Ｉとを備える。なお、図１２においては、色変換素子１Ｉに備わる第一平坦化層、第二平坦化層及び反射抑制層の図示は省略している。

光源部１０１は、レーザー光Ｌ１を発生させ、導光部材１０２を介して色変換素子１Ｉにレーザー光Ｌ１を供給する装置である。例えば、光源部１０１は、青紫〜青色（４３０〜４９０ｎｍ）の波長のレーザー光Ｌ１を放射する半導体レーザー素子である。導光部材１０２は、光源部１０１が放射したレーザー光Ｌ１を色変換素子１Ｉまで導く導光部材であり、例えば光ファイバーなどである。

色変換素子１Ｉの基板２ｉは、平面視矩形状であり、その一つの表面２２ｉには、接合部５ｉを介して、反射層４ｉ及び蛍光部３ｉが積層されている。蛍光部３ｉは平面視矩形状に形成されており、その基板２ｉ側の主面の全体に、誘電体多層膜からなる反射層４ｉが積層されている。接合部５ｉは、蛍光部３ｉの外周縁に対して連続した枠状に形成されている。これにより、接合部５ｉの内方には、反射層４ｉを露出させる空気層５３ｉが形成されている。空気層５３ｉは、レーザー光Ｌ１の照射領域Ｒ１に対して平面視で重なる位置に配置されている。

このように変形例９に係る照明装置１００においても、空気層５３ｉが、蛍光部３ｉにおける照射領域Ｒ１の少なくとも一部に平面視で重なる位置に、反射層４ｉを露出させている。このため、空気層５３ｉが設けられていない場合と比べても、全反射する入射角度の範囲（９０度−θｃ）を大きくすることができる。したがって、誘電体多層膜である反射層４ｉでの反射率を高めることができ、変換効率を高めることができる。

なお、照明装置に用いられる色変換素子においても、蛍光部が複数の個片から形成されていてもよい。

［その他の実施の形態］
以上、本発明に係る照明装置について、上記実施の形態及び各変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び各変形例に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態では、蛍光部３が全体として白色光を放射する個片３３から形成されている場合を例示した。しかしながら、蛍光部が複数色の光を発する場合においては、蛍光部における各色を放射する部位が、同一種類の個片によって形成されていればよい。例えば、赤色蛍光部、緑色蛍光部及び青色蛍光部の３層が面状に配列された蛍光部の場合を想定する。赤色蛍光部は、赤色蛍光体を含む同一種類の複数の個片によって形成される。青色蛍光部は、青色蛍光体を含む同一種類の複数の個片によって形成される。緑色蛍光部は、緑色蛍光体を含む同一種類の複数の個片によって形成される。

また、変形例２などでは中空粒体６４ｂなどを例示した。しかしながら、第一平坦化層の基体に分散される粒体は中実な粒体であってもよい。中実な粒体である場合、当該粒体の屈折率は、第一平坦化層の基体の屈折よりも小さければよい。これにより、第一平坦化層の屈折率を低下させることができ、照射されるレーザー光Ｌの第一平坦化層表面でのフレネル反射を抑制することができる。

その他、実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施の形態及び各変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｉ 色変換素子
２、２ｉ 基板
３、３ｉ 蛍光部
４、４ｉ 反射層
５、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｉ 接合部
６、６ａ、６ｂ、６ｆ、６ｇ、６ｈ 第一平坦化層
７ 第二平坦化層
８ 反射抑制層
３１ 表面（第一主面）
３２ 背面（第二主面）
５３、５３ｉ 空気層
６３ａ 凹凸構造
６４ｂ 中空粒体（粒体）
６５ｂ 基体
６１０ｆ 第一層
６２０ｆ、６２０ｇ 第二層
６３０ｇ 第三層
６４０ｇ 第四層
Ｌ、Ｌ１ レーザー光
Ｒ、Ｒ１ 照射領域

Claims (16)

1. 基板と、
   前記基板上に配置された蛍光部であって、外部からのレーザー光を受光して、当該レーザー光とは異なる色の光を出射する蛍光部と、
   前記蛍光部における前記基板とは反対側の第一主面に対して積層された第一平坦化層と、
   前記蛍光部における前記基板側の第二主面に対して積層された第二平坦化層と、
   前記第二平坦化層における基板側の主面に積層され、誘電体多層膜からなる反射層と、
   前記反射層と前記基板との間に介在して、前記反射層と前記基板とを接合する接合部と、
   を備える
   色変換素子。
2. 前記接合部は、前記蛍光部における前記レーザー光が照射される照射領域の少なくとも一部に平面視で重なる位置に、前記反射層を露出させる空気層を有する
   請求項１に記載の色変換素子。
3. 前記接合部は、酸化物及び窒化物の少なくとも一方を含有するシリコン樹脂から形成されており、前記蛍光部における前記レーザー光が照射される照射領域の少なくとも一部に平面視で重なる位置に配置されている
   請求項１に記載の色変換素子。
4. 前記第一平坦化層における前記蛍光部とは反対側の主面には、反射抑制層が積層されている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の色変換素子。
5. 前記第一平坦化層における前記蛍光部とは反対側の主面は、微細な凹凸構造を有する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の色変換素子。
6. 前記第一平坦化層は、透光性を有する基体と、前記基体内に分散された複数の粒体とを備え、
   前記粒体の屈折率は、前記基体の屈折率よりも小さい
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の色変換素子。
7. 前記粒体は、中空粒体である
   請求項６に記載の色変換素子。
8. 前記第一平坦化層は、前記蛍光部の前記第一主面に積層された第一層と、前記第一層における前記蛍光部とは反対側の面に積層された第二層とを備え、
   前記第一層には、前記粒体が含まれておらず、
   前記第二層には、複数の前記粒体が分散されている
   請求項６または７に記載の色変換素子。
9. 前記粒体の直径は、前記レーザー光の波長よりも小さい
   請求項６〜８のいずれか一項に記載の色変換素子。
10. 前記複数の粒体の濃度は、前記第一平坦化層内において前記蛍光部から離れるにつれて漸増している
    請求項６〜９のいずれか一項に記載の色変換素子。
11. 前記第一平坦化層は、複数の層から形成されており、
    各層における前記複数の粒体の濃度は、前記第一平坦化層を全体的に見て前記蛍光部から離れるにつれて漸増するように、決定されている
    請求項１０に記載の色変換素子。
12. 前記第一平坦化層及び前記第二平坦化層の少なくとも一方は、可視光透過率が９０％以上である
    請求項１〜１１のいずれか一項に記載の色変換素子。
13. 前記第二平坦化層は、屈折率が前記蛍光部の屈折率よりも小さい
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の色変換素子。
14. 前記第一平坦化層及び前記第二平坦化層の少なくとも一方は、厚みが１．０μｍ以上である
    請求項１〜１３のいずれか一項に記載の色変換素子。
15. 前記第一平坦化層及び前記第二平坦化層の少なくとも一方は、ＳｉＯ_２により形成されている
    請求項１〜１４のいずれか一項に記載の色変換素子。
16. 前記第二平坦化層における前記反射層側の主面は、表面粗さＲａが２０ｎｍ以下である
    請求項１〜１５のいずれか一項に記載の色変換素子。

Images