JP2021166157A - 波長変換素子および灯具 - Google Patents

Abstract

【課題】リフレクタを備える灯具に適用したときに、蛍光の利用効率を向上させることが可能な波長変換素子を提供する。【解決手段】波長変換素子（１０）は、基材（１）と、前記基材（１）上に配置された蛍光層（２）とを含み、前記蛍光層（２）は、前記基材（１）側と反対側の面に蛍光出射面（２ａ）を備え、前記蛍光出射面（２ａ）上に、蛍光の出射角度を変化させる三次元構造体（３）が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換素子および灯具に関する。

半導体発光素子等の光源から生じた励起光を、基材と蛍光層とを含む波長変換素子に照射し、発生した蛍光を取り出して利用することが従来技術として知られている。波長変換素子において発生した蛍光の大部分は、波長変換素子の蛍光の出射を主に担う蛍光出射面から出射される。蛍光出射面が平滑である場合に、波長変換素子の蛍光出射面から出射される蛍光の配光分布は、概ね、ランバーシアン配光（蛍光出射面上に立てた垂線からの傾き角、すなわち極角をθとしたときに、蛍光の放射分布がcos(θ)で近似できる発光分布）となることが知られている。

例えば、特許文献１および特許文献２には、光源と、光源から出射された励起光を受けて蛍光を発する波長変換素子と、波長変換素子から出射された蛍光を反射するリフレクタとを備える灯具が記載されている。

特開平７−３１８９９８号公報 特開２０１２−２３４６８５号公報

光源、波長変換素子およびリフレクタを備える従来の灯具において、波長変換素子から出射した蛍光の一部は、リフレクタを介して外部に出射する。しかしながら、それ以外の蛍光は、リフレクタを介さずに直接外部に出射する。リフレクタを介さずに直接外部に出射する蛍光は、進行方向を制御することができないため、所望の領域に到達することができない。したがって、所望の領域が効率的に照明されず、蛍光の利用効率が低いという問題がある。

この問題に対し、上記の特許文献１に記載される灯具において、波長変換素子は、凹面鏡（リフレクタ）の焦点に、かつ、波長変換素子の蛍光出射面と凹面鏡とが相対するように配置される。これにより、波長変換素子の蛍光出射面から出射された蛍光はほぼ全て、凹面鏡に当たる。しかしながら、凹面鏡に当たった反射光のうちの一部（すなわち、ランバーシアン配光において光強度が大きい、蛍光出射面から略垂直方向に出射した蛍光の反射光）は、波長変換素子に遮られ、外部に出射することができない。そのため、蛍光の利用効率が低下するという問題がある。

また、上記の特許文献２に記載される灯具において、波長変換素子は、その蛍光出射面が、投光方向と反対側に傾斜するように配置される。これにより、リフレクタを介さずに直接外部に出射する蛍光の割合が減少する。また、ランバーシアン配光において光強度が大きい、蛍光出射面から略垂直方向に出射した蛍光も、リフレクタを介して外部に出射されるため、光の利用効率が高まる。しかしながら、リフレクタの反射面に当たった反射光のうちの一部は、傾斜して配置された波長変換素子に遮られ、外部に出射することができないという問題が依然としてある。

本開示は、上記の問題に鑑みて為されたものであり、その目的は、リフレクタを備える灯具に適用したときに、蛍光の利用効率を向上させることが可能な波長変換素子を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る波長変換素子は、基材と、上記基材上に配置された蛍光層とを含み、上記蛍光層は、励起光を受けて蛍光を発する複数の蛍光体粒子、および、バインダを含み、かつ、上記基材側と反対側の面に蛍光出射面を備え、上記蛍光出射面上に、蛍光の出射角度を変化させる三次元構造体が配置されていることを特徴とする。

本開示の一態様によれば、リフレクタを備える灯具に適用したときに、蛍光の利用効率を向上させることが可能な波長変換素子を提供することができる。

本開示の実施形態１に係る波長変換素子を模式的に示した断面図である。 本開示の実施形態１に係る波長変換素子において生じる界面反射を説明する断面図である。 本開示の実施形態２に係る波長変換素子を模式的に示した断面図である。 本開示の実施形態２に係る波長変換素子の変形例を模式的に示した断面図である。 本開示の実施形態２に係る波長変換素子の変形例を模式的に示した断面図である。 本開示の実施形態３に係る灯具を模式的に示した断面図である。 従来の灯具における出射光の状態を説明する断面図である。 本開示の実施形態３に係る灯具における出射光の状態を説明する拡大断面図である。 本開示の実施形態４に係る灯具を模式的に示した断面図である。 光線追跡シミュレーションにおいてモデル化された灯具の構成を模式的に示す断面図である。 光線追跡シミュレーションにおいてモデル化された灯具における、励起光が照射される領域の拡大断面図である。 三角柱形状（形状１）の三次元構造体を示す断面図である。 三角柱形状（形状１）の三次元構造体の配置様式を示す斜視図である。 三角柱形状（形状２）の三次元構造体を示す断面図である。 三角柱形状（形状３）の三次元構造体を示す断面図である。 半球形状（形状４）の三次元構造体を示す断面図である。 半球形状（形状４）の三次元構造体の配置様式を示す平面図である。 受光面に対する極角の分布を示すグラフである。 蛍光出射面に対する極角の分布を示すグラフである。 従来の灯具についての光線追跡シミュレーションにおける全体の光線図である。 従来の灯具についての光線追跡シミュレーションにおける一部の光線の光線図である。 図２１の光線図について、励起光が照射される領域を拡大して示す拡大図である。 三角柱形状（形状１）の三次元構造体を備える灯具についての光線追跡シミュレーションにおける全体の光線図である。 三角柱形状（形状１）の三次元構造体を備える灯具についての光線追跡シミュレーションにおける一部の光線の光線図である。 図２４の光線図について、励起光が照射される領域を拡大して示す拡大図である。 半球形状（形状４）の三次元構造体を備える灯具についての光線追跡シミュレーションにおける全体の光線図である。 半球形状（形状４）の三次元構造体を備える灯具についての光線追跡シミュレーションにおける一部の光線の光線図である。 図２７の光線図について、励起光が照射される領域を拡大して示す拡大図である。

〔実施形態１〕
以下、本開示の一実施形態について、詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る波長変換素子１０を模式的に示した断面図である。図１に示すように、波長変換素子１０は、基材１と、上記基材１上に配置された蛍光層２とを含み、上記蛍光層２は、励起光を受けて蛍光を発する複数の蛍光体粒子、および、バインダを含み、かつ、上記基材１側と反対側の面に蛍光出射面２ａを備え、上記蛍光出射面２ａ上に、蛍光の出射角度を変化させる三次元構造体３が配置されている。

三次元構造体３と接する蛍光出射面２ａから出射される蛍光Ｘ_１は、三次元構造体３内を進行し、三次元構造体３の表面から出射する際に出射角度を変化させて進行方向を変え、蛍光Ｘ_２として波長変換素子外に出射される。一方、三次元構造体３と接していない蛍光出射面２ａから出射される蛍光は、屈折率差に応じたそのままの出射角度で、波長変換素子外に出射される。

したがって、三次元構造体３の形状および配置を適宜に調整することにより、波長変換素子１０から出射する蛍光の配光分布を、望ましい配光分布となるように変化させることができる。これにより、波長変換素子１０をリフレクタを備える灯具に適用したときに、波長変換素子１０から出射する蛍光のうち、リフレクタの反射面に当たる蛍光の割合を増加させて、蛍光の利用効率を向上させることができる。

なお、本願明細書において、「蛍光の利用効率」とは、「波長変換素子１０をリフレクタを備える灯具に適用したときに、リフレクタの反射面に当たって灯具外に出射する蛍光強度」／「励起光強度」を意図し、「蛍光の取り出し効率」を含む。また、本願明細書において、「蛍光の取り出し効率」とは、「蛍光出射面２ａから出てくる蛍光強度」／「励起光強度」を意図し、「励起光が蛍光層２に入射する効率」、「蛍光層２の発光効率」、および「発光した蛍光が蛍光出射面２ａから出ていく効率」等が含まれる。

（基材１）
波長変換素子１０が反射型である場合、基材１は、光を反射する反射性基材であり、励起光は、波長変換素子１０の蛍光出射面２ａの側から入射する。すなわち、蛍光出射面２ａと、励起光入射面とは同一面である。

反射性基材としては、特に限定されないが、金属基材、例えば、アルミ基材、高反射のアルミナ基材、白色完全散乱基材等を用いることができる。基材１上に銀等の高反射膜がコーティングされていてもよい。

波長変換素子１０が透過型である場合、基材１は、光を透過する透光性基材であり、励起光は、波長変換素子１０の蛍光出射面２ａと対向する側から入射する。すなわち、蛍光出射面２ａと対向する面に、励起光入射面が配される。透光性基材としては、特に限定されないが、ガラス基材、サファイヤ基材等を用いることができる。

基材１の厚さは、波長変換素子１０の用途等に応じて適宜に設定することができる。

（蛍光層２）
蛍光層２は、バインダと、バインダ内に分散した複数の蛍光体粒子とを含み、かつ、基材１側と反対側の面に蛍光出射面２ａを備える。

バインダは、無機化合物を含むバインダであってもよく、有機化合物を含むバインダであってもよい。無機化合物としては、例えば、アルミナ、シリカ等が挙げられる。有機化合物としては、例えば、シリコーン樹脂等が挙げられる。

蛍光体粒子は、励起光により所定の波長域の蛍光を発する従来公知の有機蛍光体粒子および無機蛍光体粒子を用いることができる。

蛍光層２において、蛍光体粒子の分散は、均一であってもよく、不均一であってもよい。例えば、蛍光層２は、蛍光出射面２ａ側に、蛍光体粒子を含まずにバインダのみからなる蛍光体粒子非含有層を含んでいてもよい。

蛍光出射面２ａは、実質的に平滑な面である。本明細書において、実質的に平滑とは、意図的な凹部または凸部を有しないことを意味し、好ましくは、蛍光層２の厚さのばらつきが、蛍光体粒子の直径以下であることを意味する。

蛍光層２に占める蛍光体粒子の割合、および、蛍光層２の厚さは、所望の発光強度等に応じて適宜に設定することができる。

（三次元構造体３）
三次元構造体３は、蛍光層２の蛍光出射面２ａ上に凸部を形成する凸状構造体である。

三次元構造体３の形状は、特に限定されず、蛍光出射面２ａから出射する蛍光の出射角度を変化させる任意の形状であってよい。三次元構造体３の形状の例としては、複数の平面および／または曲面を有する立体、例えば、多面体、少なくとも一部に曲面または球面を有する立体が挙げられる。より具体的には、三角柱形状、半円柱形状、半球形状、角錐形状、円錐形状等の立体が挙げられるが、これらに限定されない。三次元構造体３が三角柱形状または半円柱形状である場合は、その四角形状の面と蛍光出射面２ａとが接するように、柱を横倒しにした状態で配置することが好ましい。

三次元構造体３は、蛍光出射面２ａの全面を覆うように配置されていても、励起光が照射される領域の少なくとも一部を覆うように配置されていてもよい。本開示の一実施形態において、三次元構造体３は、蛍光出射面２ａのうち、少なくとも、励起光が照射される領域の全面を覆うように配置されている。これにより、波長変換素子１０から出射する蛍光の配光分布を、効率的に、望ましい配光分布となるように変化させることができる。

三次元構造体３は、励起光および蛍光体粒子が発する蛍光を透過する透光性材料からなり、好ましくは、蛍光体粒子を含まず、励起光および蛍光層２の発光に伴う発熱等により大きく劣化しない材料によって形成されているものである。三次元構造体３の構成材料の例としては、蛍光層２を構成するバインダの構成材料と同じものを挙げることができる。具体的には、三次元構造体３の構成材料としては、アルミナ、シリカ等の無機化合物、および、シリコーン樹脂等の有機化合物が挙げられる。

三次元構造体３が、蛍光体粒子を含まない透光性材料からなることにより、三次元構造体において発熱が起こらない。また、三次元構造体３は、蛍光層２の発光エリアからの発熱を伝播するパスとして機能し、輝度飽和を抑制する効果も発揮する。

一実施形態において、三次元構造体３を構成する材料の屈折率（ｎ_２）は、空気の屈折率（１．０）より大きく、蛍光層２の屈折率（ｎ_１）と同じかそれ以下である。好ましい実施形態において、三次元構造体３を構成する材料の屈折率（ｎ_２）は、蛍光層２の屈折率（ｎ_１）との差が小さいことが好ましく、蛍光層２の屈折率（ｎ_１）と実質的に同じであることがより好ましい。なお、蛍光層２の屈折率（ｎ_１）は、蛍光層２のバインダの屈折率と実質的に同じである。

図２は、本実施形態に係る波長変換素子１０において、励起光Ｙが三次元構造体３を通過して蛍光層２に入射する場合の界面反射を説明する断面図である。図２に示すように、蛍光層２と三次元構造体３との界面の反射率Ｒ_２は、蛍光層２と三次元構造体３との界面における、励起光Ｙおよび蛍光Ｘの反射光により決まり、下式（１）で表される。式（１）中、ｎ_１は蛍光層２の屈折率であり、ｎ_２は三次元構造体３の屈折率である。

蛍光層２と三次元構造体３との屈折率差が小さいほど、界面反射率Ｒ_２が小さくなり、界面反射によるロスが低減される。したがって、三次元構造体３が、蛍光層２のバインダの屈折率との差が小さい構成材料からなることにより、蛍光層２において生じた蛍光の取り出し効率が高まり、ひいては、蛍光の利用効率が高まる。好ましい実施形態において、三次元構造体３は、蛍光層２のバインダと同じ材料からなる。

一実施形態において、三次元構造体３は、単一の材料からなる一体的な部材であることが好ましい。三次元構造体３が複数の部材からなる場合は、部材間の界面において界面反射が発生し得る。これに対し、三次元構造体３が一体的な部材である場合は、このような界面反射が発生しないため、蛍光のロスを低減することができる。

三次元構造体３の高低は、配光分布を変化させる効果に直接影響しない。そのため、三次元構造体３の高さは、励起光照射領域の大きさ等に応じて適宜に設定することができるが、可視光域の波長を幾何学的に屈折させるためには、例えば、約１μｍ以上であることが好ましい。また、三次元構造体３の熱伝導により、輝度飽和を抑制する効果を得るためには、２５μｍ以上であることが好ましい。

また、三次元構造体３の高さの上限値は、特に限定されないが、例えば１ｍｍ以下であってよい。これにより、波長変換素子１０をリフレクタを備える灯具に適用したときに、リフレクタの反射面に当たった反射光が、三次元構造体３に当たって進行方向を変える確率を低減することができる。なお、三次元構造体３の高さとは、基底面から凸部の頂点までの、基材１表面に対する垂直距離を意味する。

（さらなる機能層）
波長変換素子１０は、基材１と蛍光層２との間に、さらなる機能層を備えていてもよい。このような機能層としては、例えば、増反射層が挙げられる。増反射層を備えることにより、蛍光層２からの蛍光が増反射層で反射されて出射するため、基材１の反射率の影響を受けにくい。また、効率的に蛍光を反射することにより、光の利用効率を一層高めることができる。

増反射層は、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２多層膜等の酸化物多層膜、ダイクロイックミラー、並びに、バインダおよび散乱粒子を含む散乱層等から構成されるものであってよい。

上記散乱層を構成するバインダは、無機化合物を含むバインダであってもよく、有機化合物を含むバインダであってもよいが、熱伝導性の向上の観点からは、無機化合物を含むバインダが好ましい。無機化合物としては、例えば、アルミナ、シリカ等が挙げられる。有機化合物としては、例えば、シリコーン樹脂等が挙げられる。

（波長変換素子１０の製造方法）
次に、一例を挙げて、本実施形態に係る波長変換素子１０の製造方法を説明する。

本実施形態に係る波長変換素子１０は、蛍光体粒子およびバインダを含む蛍光組成物を、基材１の上に塗布して蛍光層２を形成する積層工程、および、蛍光層２の蛍光出射面２ａ上に、三次元構造体３を形成する三次元構造体形成工程、を含む製造方法により好適に製造することができる。

蛍光組成物を基材１上に塗布する方法としては、スプレー塗布、インクジェット塗布、ディスペンサ塗布、スクリーン印刷、ディップ法等の慣用の方法を用いることができる。

蛍光出射面２ａ上に三次元構造体３を形成する方法としては、特に限定されず、スタンプ法（型押し法）、切削法、および、予め形成した構造体を接着剤または粘着剤を介して貼着する方法、等を用いることができる。スタンプ法（型押し法）は、所望の形状を有する型を予め作製しておき、その型を用いて、三次元構造体３を構成する透光性材料を蛍光出射面２ａ上に型押する方法である。また、切削法は、蛍光層２の蛍光出射面２ａ側の表面に、蛍光体粒子非含有層を設けておき、当該蛍光体粒子非含有層から不要部分を除去し、三次元構造体３を削り出す方法である。蛍光体粒子非含有層は、三次元構造体３の構成材料として上述した任意の成分からなる層であってよいが、界面反射による蛍光のロスを低減する観点からは、蛍光層２を構成するバインダからなる層であることが好ましい。

〔実施形態２〕
本開示の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

（波長変換素子２０の構成）
図３は、本実施形態に係る波長変換素子２０を模式的に示した断面図である。図３に示すように、本実施形態に係る波長変換素子２０は、蛍光出射面２ａ上に、複数の三次元構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅが配置されている点において、実施形態１の波長変換素子１０と異なる。その他の各構成は、実施形態１において説明した構成と同じである。

なお、図３においては、断面三角形状の５個の三次元構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅが蛍光出射面２ａ上に配置されているが、蛍光出射面２ａ上に配置される三次元構造体３の数は、特に限定されない。また、三次元構造体３の形状は、特に限定されず、例えば、図４に示されるように、断面半円形状であってもよい。さらには、図５に示されるように、形状および高さの異なる複数の三次元構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆが蛍光出射面２ａ上に配置されていてもよい。

個々のサイズが小さい三次元構造体３を、蛍光出射面２ａ上に複数配置することにより、より大きいサイズの三次元構造体３を１個配置する場合と同等またはそれ以上の広さの蛍光出射面２ａを覆うことができる。個々のサイズが小さい三次元構造体３を複数配置することの利点として、波長変換素子２０をリフレクタを備える灯具に適用したときに、リフレクタの反射面に当たった反射光が、三次元構造体３に当たって進行方向を変える確率を低減し得る点が挙げられる。

複数の三次元構造体３は、蛍光出射面２ａの全面を覆うように配置されていても、励起光が照射される領域の少なくとも一部を覆うように配置されていてもよい。本開示の一実施形態において、複数の三次元構造体３は、蛍光出射面２ａのうち、少なくとも、励起光が照射される領域の全面を覆うように配置されている。

なお、「複数の三次元構造体３が、励起光が照射される領域の全面を覆うように配置されている」とは、当該領域の全面を覆うように、複数の三次元構造体３が、互いに隣接して配置されていることを意味する。好ましい実施形態において、複数の三次元構造体３は、最密充填またはそれに近い状態となるように配置されている。

〔実施形態３〕
本開示の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

（灯具１００の構成）
図６に本開示の実施形態３に係る灯具１００を模式的に示した断面図を示す。灯具１００は、波長変換素子３０として、上記実施形態１に係る波長変換素子１０または実施形態２に係る波長変換素子２０を備える灯具であり、好ましくは車両用灯具（車両用前照灯具）であり、より好ましくは反射型レーザヘッドライトである。

リフレクタ１２は、波長変換素子３０から出射された蛍光を反射させる反射面を有する。反射面は、入射した光を一定方向に平行に出射するように反射させる形状を有し、光を放射する開口面（出射面）１３を有する。

好ましい実施形態において、リフレクタ１２の反射面は、回転放物面または回転楕円面の少なくとも一部を含む形状を有する。反射面は、鏡面により構成されているのが好ましい。かかる態様のリフレクタ１２を、放物面ミラーとも称する。放物面ミラーを上下２分割するｘｚ平面において、波長変換素子３０は、リフレクタ１２の開口面１３よりも内側であって、リフレクタ１２の焦点近傍となる位置に配置される。これにより、波長変換素子３０から出射する蛍光のうち、リフレクタ１２に当たる蛍光の割合を増加させることができる。

なお、本明細書において、ｙ軸正方向は、基材１表面の法線ベクトルと０°を成す方向であり、ｚ軸正方向は、開口面１３から垂直な方向に出射する光Ｚの進行方向である。

図６に例示される灯具１００は、放物面ミラーからなるリフレクタ１２を上下２分割するｘｚ平面で分割したうちの上側半分から構成される。ｘｚ平面にはミラー表面を備えた基材を備え、リフレクタ１２の内側と合せて、リフレクタ内部は鏡面により構成されているのが好ましい。

光源１１は、リフレクタ１２の外部に配置され、波長変換素子３０の蛍光層を励起する波長の励起光Ｙを出射する光源であり、好ましくは青色レーザ光源である。リフレクタ１２は、光源１１の励起光Ｙを波長変換素子３０に照射させることができる透孔を備える。

光源１１から励起光Ｙが照射された波長変換素子３０は、入射した励起光Ｙのうちの一部を、所望の帯域の波長からなる蛍光として出射する。

波長変換素子３０から出射された蛍光は、リフレクタ１２の反射面に当たって反射し、方向を転換して指向性の高い光線となって、開口面１３に垂直な方向（ｚ軸正方向）に直進する。開口面１３から垂直な方向に出射する光Ｚは、直進性が高く、広がらずに真っ直ぐ遠方を照射することができる。したがって、車両用灯具として好適に利用することができる。

好ましい実施形態において、光源１１は、青色の励起光Ｙを照射し、波長変換素子３０は、青色の励起光Ｙによって励起され、可視光の長波長域（黄色波長）の蛍光を発光する。波長変換素子３０に向かって照射された励起光Ｙのうちの一部は、照射表面に当たって反射し、方向を転換し、拡散反射光となる。波長変換素子３０から出射する蛍光と、拡散反射光とが混ざり合い、白色光として、開口面１３から出射する。

（従来の灯具における問題点）
図７を用いて、従来の灯具における出射光の状態を説明する。なお、説明の便宜上、上記図６にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図７に示される従来の灯具１００Ｖは、波長変換素子３０の代わりに、三次元構造体を有しない従来の波長変換素子３０Ｖを備える点以外は、図６に示される灯具１００と同じ構成を有する。

従来の灯具１００Ｖにおいて、開口面１３に垂直な方向に出射する光Ｚの進行方向（ｚ軸正方向）と、波長変換素子３０Ｖとリフレクタ１２の開口端とを結ぶ線分と、がなす方位角をαとすると、０＜λ＜αの方位角λで出射する蛍光Ｘ_３は、リフレクタ１２を介さずに直接外部に出射する。蛍光Ｘ_３は、進行方向を制御することができないため、所望の領域に到達することができず、蛍光の利用効率が低下する。

これに対し、本実施形態に係る灯具１００における出射光の状態を、図６および図８を用いて説明する。図８は、図６に示される灯具１００における出射光の状態を説明する拡大断面図である。

灯具１００において、蛍光層２の蛍光出射面２ａから、０＜λ＜αの範囲で出射する蛍光Ｘ_１は、三次元構造体３の表面から出射する際に、出射角度を変化させて進行方向を変え、蛍光Ｘ_２として出射する。蛍光Ｘ_２は、リフレクタ１２の反射面に当たって反射し、開口面１３に垂直な方向に直進する。

図８に示されるように、灯具１００において、波長変換素子３０の三次元構造体３の配置面積Ｓは、励起光Ｙが照射される領域の面積より大きいことが好ましい。これにより、蛍光出射面２ａから出射される蛍光の多くを、三次元構造体３内に導くことができ、蛍光の配光分布を、効率的に変化させることができる。

（蛍光の利用効率）
図１０〜２８を用いて、三次元構造体３の形状と、灯具１００における蛍光の利用効率との関係を説明する。

照明設計解析ソフトウェアＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ（登録商標）（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社製）を用いて光線追跡シミュレーションを行うことにより、灯具１００において、様々な形状の三次元構造体３を配置した場合の蛍光の利用効率を算出した。

図１０は、光線追跡シミュレーションにおいてモデル化された灯具１００の構成を模式的に示す断面図である。図１０に示す断面図は、灯具１００において、リフレクタ１２の開口面１３の中心を通過するｙｚ平面における断面を示している。図１１は、励起光が照射される領域の拡大断面図である。

光線追跡シミュレーションにおいて、蛍光の利用効率に関与する各種パラメータを以下のとおりに設定した。

図１０に示すように、基材１からリフレクタ１２の開口端までの垂直距離は、２５ｍｍとした。リフレクタ１２の閉口端から開口面１３までの距離は、２４ｍｍとした。波長変換素子３０は、閉口端からの距離が６．５ｍｍであるリフレクタの焦点近傍となる位置に配置されているものとした。開口面１３に垂直な方向に出射する光Ｚの進行方向（ｚ軸正方向）と、波長変換素子３０とリフレクタ１２の開口端とを結ぶ線分と、がなす方位角αは５４°とした。これは、蛍光出射面に対する極角で表すと、３６°となる。なお、本明細書において、所定の面に対する極角とは、当該面上に立てた垂線からの傾き角を意味する。極角０°とは、当該面に対して垂直であることを意味する。

蛍光出射面に対する極角が３６°以上で出射する蛍光Ｘ_４は、リフレクタ１２の反射面には当たらず、直接外部に出射する。これに対し、蛍光出射面に対する極角が３６°未満で出射する蛍光Ｘ_５は、リフレクタ１２の反射面に当たって、開口面１３に垂直な方向に直進する。

図１１に示すとおり、波長変換素子３０の蛍光層２は、直径１ｍｍの円形状として、厚さ３０μｍで設けられているものとした。蛍光層２（厚さ３０μｍ）のうち、表層部（厚さ５μｍ）は、バインダのみからなる蛍光体粒子非含有層であり、内層部（厚さ２５μｍ）は、蛍光体粒子およびバインダを含む蛍光体粒子含有層であるものとした。励起光が照射される領域は、直径４００μｍの円形状とした。また、蛍光体粒子含有層内の、励起光を受光して蛍光を発生する領域２ｂの体積は、直径４００μｍ、厚さ２５μｍの円柱の体積として計算した。三次元構造体３の配置は、複数の三次元構造体３が、励起光が照射される領域の全面を覆うように配置されているものとした。

蛍光層２および三次元構造体３の屈折率は、共に１．５とした。三次元構造体３の光線透過率は１００％とした。

蛍光の利用効率は、励起光が照射される領域から出射した全光線の量に対する、受光面１１２に対して極角０°〜±１°で入射する光線の量の百分率として算出した。この値が大きいほど、蛍光の利用効率が高いことを示す。なお、受光面１１２は、リフレクタ１２の外側に、開口面１３と平行に設けられた面である。

（比較例：従来の灯具１００Ｖについての光線追跡シミュレーション）
波長変換素子３０の代わりに、三次元構造体を有しない従来の波長変換素子３０Ｖを備える点以外は、上記のモデル化された灯具１００と同じ構成を有する従来の灯具１００Ｖについて、光線追跡シミュレーションを行った。

図２０に、従来の灯具１００Ｖについての光線追跡シミュレーションにおける全体の光線図を示す。図２１は、シミュレーションにおいて追跡した光線のうち、蛍光出射面２ａに対して極角６０°で出射する光線のみを示した光線図である。図２２は、図２１の光線図について、励起光が照射される領域を拡大して示す拡大図である。

図２２に示すように、蛍光出射面２ａに対して極角６０°で出射する光線の一部は、リフレクタ１２の反射面に当たらずに、直接外部に出射し、受光面１１２に対して大きい極角で入射する。

本シミュレーション結果から、従来の灯具１００Ｖの蛍光の利用効率を算出したところ、２６．９％であった。

（光線追跡シミュレーション１）
図１２は、三角柱形状（形状１）の三次元構造体３を示す断面図である。図１３は、三角柱形状（形状１）の三次元構造体３の配置様式を示す斜視図である。図１２に示すように、形状１は、リフレクタ１２の閉口端側に位置する底角が８０°であり、リフレクタ１２の開口端側に位置する底角が４５°である断面三角形状の三角柱である。当該断面三角形の底辺の長さは５０μｍであり、高さは４３μｍである。また、図１３に示すように、三角柱形状（形状１）の複数の三次元構造体３が、リフレクタ１２の開口面１３に平行な方向、すなわちｘ軸と平行に、柱を横倒しにした状態で配置されている。

上記のモデル化された灯具１００において、三次元構造体３が、図１２に示す形状１を有し、かつ、図１３に示すとおりに配置されている場合の光線追跡シミュレーションを行った。

図２３に、形状１の三次元構造体を備える灯具についての光線追跡シミュレーションにおける全体の光線図を示す。図２４は、従来の灯具１００Ｖにおいては極角６０°で出射していた光線であって、三次元構造体３により出射角度が変化した光線を示した光線図である。図２５は、図２４の光線図について、励起光が照射される領域を拡大して示す拡大図である。

本シミュレーション結果を、従来の灯具１００Ｖのシミュレーション結果と比較したところ、図２３における両矢印で示された領域において、光線が増加する傾向が観察された。また、図２４および図２５に示すように、従来の灯具１００Ｖにおいて極角６０°で出射していた光線は、極角２０〜４０°に出射角度を変化させた。その結果、当該光線の多くが、リフレクタ１２に当たって反射し、受光面１１２に対してほぼ垂直に入射した。

本シミュレーション結果から、蛍光の利用効率を算出したところ、３７．０％であった。

（光線追跡シミュレーション２）
図１４は、三角柱形状（形状２）の三次元構造体３を示す断面図である。図１４に示すように、形状２は、リフレクタ１２の閉口端側に位置する底角が４５°であり、リフレクタ１２の開口端側に位置する底角が８０°である断面三角形状の三角柱である。当該断面三角形の底辺の長さは５０μｍであり、高さは４３μｍである。

灯具１００が、形状１の三次元構造体３の代わりに、図１４に示す断面を有する形状２の三次元構造体３を備える点以外は、光線追跡シミュレーション１と同様にして、光線追跡シミュレーション２を行った。

本シミュレーション結果から、蛍光の利用効率を算出したところ、４０．９％であった。

（光線追跡シミュレーション３）
図１５は、三角柱形状（形状３）の三次元構造体３を示す断面図である。図１５に示すように、形状３は、２つの底角が共に６０°である断面正三角形状の三角柱である。当該断面正三角形の底辺の長さは５０μｍであり、高さは４３μｍである。

灯具１００が、形状１の三次元構造体３の代わりに、図１５に示す断面を有する形状３の三次元構造体３を備える点以外は、光線追跡シミュレーション１と同様にして、光線追跡シミュレーション３を行った。

本シミュレーション結果から、蛍光の利用効率を算出したところ、３４．７％であった。

（光線追跡シミュレーション４）
図１６は、半球形状（形状４）の三次元構造体３を示す断面図である。図１７は、半球形状（形状４）の三次元構造体３の配置様式を示す平面図である。形状４の半球の底面の直径は８６μｍであり、高さは４３μｍである。また、図１７に示すように、半球形状（形状４）の複数の三次元構造体３が、互いに隣接した状態で配置されている。

上記のモデル化された灯具１００において、三次元構造体３が、図１６に示す形状４を有し、かつ、図１７に示すとおりに配置されている場合の光線追跡シミュレーション４を行った。

図２６に、形状４の三次元構造体を備える灯具についての光線追跡シミュレーションにおける全体の光線図を示す。図２７は、従来の灯具１００Ｖにおいては極角６０°で出射していた光線であって、三次元構造体３により出射角度が変化した光線を示した光線図である。図２８は、図２７の光線図について、励起光が照射される領域を拡大して示す拡大図である。

本シミュレーション結果を、従来の灯具１００Ｖのシミュレーション結果と比較したところ、図２６における両矢印で示された領域において、光線が増加する傾向が観察された。また、図２７および図２８に示すように、従来の灯具１００Ｖにおいて極角６０°で出射していた光線が、極角２０°〜６０°に出射角度を変化させた。その結果、当該光線の多くが、リフレクタ１２に当たって反射し、受光面１１２に対してほぼ垂直に入射した。

本シミュレーション結果から、蛍光の利用効率を算出したところ、４３．２％であった。

（シミュレーション結果の比較）
図１８は、受光器の受光面１１２に入射する光線について、受光面１１２に対する極角の分布を示すグラフである。図１８に示すように、受光面１１２に入射する光線の極角は、形状１〜４の三次元構造体を備える灯具１００のシミュレーション結果において、比較例である従来の灯具１００Ｖのシミュレーション結果に比べて、全体的に減少していた。

図１９は、波長変換素子から出射する光線について、蛍光出射面２ａに対する極角の分布を示すグラフである。図１９に示すように、波長変換素子から出射する光線の極角は、形状１〜４の三次元構造体を備える灯具１００のシミュレーション結果において、比較例である従来の灯具１００Ｖのシミュレーション結果に比べて、全体的に減少していた。

これらの結果は、蛍光出射面２ａ上に形状１〜４の三次元構造体を配することにより、波長変換素子から出射する蛍光の配光分布が変化し、蛍光の利用効率が増加することを示している。

〔実施形態４〕
本開示の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

（灯具１１０の構成）
図９に本開示の実施形態４に係る灯具１１０を模式的に示した断面図を示す。図９に示すように、本実施形態に係る灯具１１０は、光源１１が、ミラー表面を備えた基材（ｘｚ平面）に対して、波長変換素子３０の蛍光出射面と反対の側に配置されている点において、実施形態３の灯具１００と異なる。本実施形態に係る灯具１１０は、透過型灯具であり、好ましくは、透過型レーザヘッドライトである。その他の各構成は、実施形態３において説明した構成と同じである。

図９において、波長変換素子３０の基材は、光を透過する透光性基材であり、好ましくは、透光性ヒートシンク基材である。透光性ヒートシンク基材は、ヒートシンク機能を備えているのが好ましい。透光性ヒートシンク基材に蛍光層が積層されている場合、ヒートシンク側から励起光Ｙが入射すると、ヒートシンク側は放熱性が高いことが知られている。

蛍光層において発生した蛍光は、入射光側と対向する蛍光出射面から三次元構造体を経て出射され、リフレクタ１２の反射面に当たって、開口面１３に垂直な方向に直進する。

〔まとめ〕
本開示の態様１に係る波長変換素子（１０、２０、３０）は、基材（１）と、上記基材（１）上に配置された蛍光層（２）とを含み、上記蛍光層（２）は、励起光を受けて蛍光を発する複数の蛍光体粒子、および、バインダを含み、かつ、上記基材（１）側と反対側の面に蛍光出射面（２ａ）を備え、上記蛍光出射面（２ａ）上に、蛍光の出射角度を変化させる三次元構造体（３）が配置されている構成である。

本開示の態様２に係る波長変換素子（１０、２０、３０）は、上記の態様１において、上記三次元構造体（３）は、蛍光体粒子を含まない透光性材料からなる構成としてもよい。

本開示の態様３に係る波長変換素子（２０、３０）は、上記の態様１または態様２において、上記蛍光出射面（２ａ）上に、複数の上記三次元構造体（３）が配置されている構成としてもよい。

本開示の態様４に係る波長変換素子（１０、２０、３０）は、上記の態様１〜３の何れかにおいて、上記三次元構造体（３）を構成する材料の屈折率（ｎ_２）は、上記蛍光層（２）の屈折率（ｎ_１）以下である構成としてもよい。

本開示の態様５に係る波長変換素子（１０、２０、３０）は、上記の態様１〜４の何れかにおいて、上記蛍光出射面（２ａ）と励起光入射面とが同一面である構成としてもよい。

本開示の態様６に係る波長変換装置（１０、２０、３０）は、上記の態様１〜４の何れかにおいて、上記蛍光出射面（２ａ）と対向する面に、励起光入射面が配されている構成としてもよい。

本開示の態様７に係る灯具（１００、１１０）は、上記の態様１〜６の何れかに記載の波長変換素子（１０、２０、３０）と、上記波長変換素子（１０、２０、３０）に励起光を照射する光源（１１）と、上記波長変換素子（１０、２０、３０）から出射された蛍光を反射させる反射面を有するリフレクタ（１２）と、を備え、上記リフレクタ（１２）の反射面が、入射した光を一定方向に平行に出射するように反射させる形状を有する構成である。

本開示の態様８に係る灯具（１００、１１０）は、上記の態様７において、上記反射面が、回転放物面または回転楕円面の少なくとも一部を含む形状を有する構成としてもよい。

本開示の態様９に係る灯具（１００、１１０）は、上記の態様７または態様８において、上記波長変換素子（１０、２０、３０）が、上記リフレクタ（１２）の焦点近傍に配置されている構成としてもよい。

本開示の態様１０に係る灯具（１００、１１０）は、上記の態様７〜９の何れかにおいて、上記波長変換素子（１０、２０、３０）が、上記リフレクタ（１２）の開口端より、上記リフレクタ（１２）の内側に配置されている構成としてもよい。

本開示の態様１１に係る灯具（１００、１１０）は、上記の態様７〜１０の何れかにおいて、上記波長変換素子（１０、２０、３０）の上記蛍光出射面（２ａ）のうちの、励起光が照射される領域の全面に、上記三次元構造体（３）が配置されている構成としてもよい。

本開示の態様１２に係る灯具（１００、１１０）は、上記の態様７〜１１の何れかにおいて、車両用灯具である構成としてもよい。

本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１ 基材
２ 蛍光層
２ａ 蛍光出射面
３ 三次元構造体
１０、２０、３０、３０Ｖ 波長変換素子
１１ 光源
１２ リフレクタ
１３ 開口面
１００、１００Ｖ、１１０ 灯具
１１２ 受光面

Claims (12)

1. 基材と、前記基材上に配置された蛍光層とを含み、
   前記蛍光層は、励起光を受けて蛍光を発する複数の蛍光体粒子、および、バインダを含み、かつ、前記基材側と反対側の面に蛍光出射面を備え、
   前記蛍光出射面上に、蛍光の出射角度を変化させる三次元構造体が配置されていることを特徴とする波長変換素子。
2. 前記三次元構造体は、蛍光体粒子を含まない透光性材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記蛍光出射面上に、複数の前記三次元構造体が配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の波長変換素子。
4. 前記三次元構造体を構成する材料の屈折率（ｎ_２）は、前記蛍光層の屈折率（ｎ_１）以下であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の波長変換素子。
5. 前記蛍光出射面と励起光入射面とが同一面であることを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の波長変換素子。
6. 前記蛍光出射面と対向する面に、励起光入射面が配されていることを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の波長変換素子。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の波長変換素子と、
   前記波長変換素子に励起光を照射する光源と、
   前記波長変換素子から出射された蛍光を反射させる反射面を有するリフレクタと、
   を備え、
   前記リフレクタの反射面が、入射した光を一定方向に平行に出射するように反射させる形状を有することを特徴とする、灯具。
8. 前記反射面が、回転放物面または回転楕円面の少なくとも一部を含む形状を有することを特徴とする、請求項７に記載の灯具。
9. 前記波長変換素子が、前記リフレクタの焦点近傍に配置されていることを特徴とする、請求項７または８に記載の灯具。
10. 前記波長変換素子が、前記リフレクタの開口端より、前記リフレクタの内側に配置されていることを特徴とする、請求項７〜９の何れか１項に記載の灯具。
11. 前記波長変換素子の前記蛍光出射面のうちの、励起光が照射される領域の全面に、前記三次元構造体が配置されていることを特徴とする、請求項７〜１０の何れか１項に記載の灯具。
12. 前記灯具は、車両用灯具であることを特徴とする、請求項７〜１１の何れか１項に記載の灯具。

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