JP6367515B1 - 蛍光体素子および照明装置 - Google Patents

Abstract

本発明の蛍光体素子は、支持基板、励起光を伝搬し、蛍光を発振する蛍光体からなる光導波路であって、光導波路が、励起光および前記蛍光を出射する出射側端面、出射側端面と反対側の対向端面、前記光導波路の長手方向に向かって伸びる底面、この底面に対向する上面、および一対の側面を有している光導波路、光導波路の底面を被覆する底面側クラッド層、光導波路の前記上面を被覆する上面側クラッド層、光導波路の一対の前記側面をそれぞれ被覆する側面側クラッド層、上面側クラッド層を被覆する上面側反射膜、側面側クラッド層をそれぞれ被覆する側面側反射膜、および支持基板と底面側クラッド層との間に設けられている底面側反射膜を備えている。

Description

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。

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。

特許文献１によれば、平板型の光導波路の入射面に、励起光に対する無反射膜かつ蛍光に対する全反射膜を形成する。光導波路中で発振した入射面側に戻ってきた蛍光は、入射面上の全反射膜で反射し、出射面側から出射させることができる。

また、特許文献２によれば、平板型の透過型蛍光体の側面に反射膜を形成し、平板型蛍光体の側面からの蛍光の出射を防止している。

WO2014-203488 A1 特開２０１４−１１６０８１ 特開２０１６−１５６４８１ 特開２０１６−００２３５４

しかし、平板形状の蛍光体中に励起光を伝搬させて蛍光を発生させる素子では、蛍光および励起光の光密度に限界がある。

本出願人は、特許文献３、４において、光導波路形状の蛍光体の中に励起光を閉じ込めて伝搬させ、発生した蛍光を光導波路中に閉じ込めることを提案した。

しかし、これらの蛍光体素子を種々検討した結果、いまだ次の問題が残っていることが判明してきた。すなわち、蛍光体を光導波路型構造にすると、励起光は導波路伝搬する。しかし、蛍光の一部は導波路伝搬光となるものの、蛍光の一部は導波路伝搬せずに導波路外へ放出されて損失になる蛍光があった。

この理由は、励起光により変換された蛍光は、方向性がなく、ランダムな方向に向かって発光する。このため、図１２に示すように、蛍光は、導波路光として出射側端面に向かって前方に伝搬する光もあるものの、一方で、光導波路の全反射条件を満足できない光もあり、外部へと向かって出射するため（図１３参照）、白色光として利用できず、変換効率の低減の原因となっていた。

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、光導波路の出射側端面からの蛍光を光導波路伝搬光として高効率に取り出す構造を提供することである。

本発明の蛍光体素子は、
支持基板、
励起光を光導波路伝搬し、蛍光を発生する蛍光体からなる光導波路であって、前記光導波路が、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、底面、この底面に対向する上面、および一対の側面を有している光導波路、
前記光導波路の前記底面を被覆する底面側クラッド層、
前記光導波路の前記上面を被覆する上面側クラッド層、
前記光導波路の一対の前記側面をそれぞれ被覆する側面側クラッド層、
前記上面側クラッド層を被覆する上面側反射膜、
前記側面側クラッド層をそれぞれ被覆する側面側反射膜、および
前記支持基板と前記底面側クラッド層との間に設けられている底面側反射膜を備えていることを特徴とする。

また、本発明は、励起光を発振する光源および前記蛍光体素子を備える照明装置であって、
前記光導波路から白色光が放射することを特徴とする、照明装置に係るものである。

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、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安定させることができる。

本発明の実施形態に係る蛍光体素子１を示す模式図である。 蛍光体素子１の平面的寸法を示す模式図である 蛍光体素子１の側面図である。 本発明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。 本発明の実施形態に係る蛍光体素子２１の平面的寸法を示す模式図である。 蛍光体素子３１の横断面を示す模式図である。 蛍光体素子１における蛍光の伝搬を示す模式図である。 蛍光体素子１１における蛍光の伝搬を示す模式図である。 蛍光体素子３１の横断面を示す模式図である。 蛍光体素子３１の横断面における光の伝搬を示す模式図である。 対照例に係る蛍光体素子４１の模式図である。 光導波路から出射する蛍光を示す光学顕微鏡写真である。 光導波路から出射する蛍光および漏れ光を示す光学顕微鏡写真である。 光源と蛍光体素子とを実装した発光装置を示す模式図である。

図１〜図３は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子１を示す。
蛍光体素子１の支持基板２には突起８が複数設けられており、突起８の間に溝９が設けられている。そして、突起８上には、底面側反射膜４Ａ、接合層３、底面側クラッド層５Ａ、光学材料からなる光導波路６が設けられている。

光導波路６の底面６ａには底面側クラッド層５Ａが設けられており、上面６ｂには上面側クラッド層５Ｂが設けられており、各側面６ｃ、６ｄ上にはそれぞれ側面側クラッド層５Ｃ、５Ｄが設けられている。更に、上面側クラッド層５Ｂ上には上面側反射膜４Ｂが設けられており、各側面側クラッド層５Ｃ、５Ｄ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。

本実施形態では、溝９の側壁面９aおよび底壁面９ｂが凹部側クラッド層５Ｅ、５Ｆによって被覆されており、凹部側クラッド層５Ｅ、５Ｆが、凹部側反射膜４Ｅ、４Ｆによって被覆されている。そして、凹部側クラッド層5Ｅと側面側クラッド層5Ｃ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。

本例では、図２に示すように、光導波路の上面の幅Ｗは、出射側端面６ｆと対向端面６ｅとの間で一定となっている。また、図３に示すように、光導波路の厚さＴは、出射側端面６ｆと対向端面６ｅとの間で一定となっている。なお、励起光は、対向端面から入射させてもよく、出射側端面から入射させて対向端面で全反射させてもよい。

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６とクラッド層５Ａ〜５Ｄ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ことができる。

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クラッド層と、この凹部側クラッド層上に設けられた凹部側反射膜を備えており、凹部側クラッド層と側面側クラッド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。光導波路とクラッド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クラッド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端面に到達することができる。

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。

しかし、本実施形態では、蛍光体で発生した熱が、直接、底面側のクラッド層、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クラッド層、反射膜を通じて凹部側クラッド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。

好適な実施形態においては、光導波路の上面の幅が、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。これによって、出射側端面における出射光量を一層増加させることができる。

すなわち、図４の蛍光体素子１１においては、光導波路６Ａの幅Ｗが、対向端面６ｅにおいてはＷＩであり、出射側端面６ｆ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、θ１は、光導波路の長手方向Ｋと側面６ｃとの角度であり、θ２は、光導波路の長手方向Ｋと側面６ｄとの角度である。本例では角度θ１、θ２は一定である。θ１、θ２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。

図５の蛍光体素子２１においては、光導波路６Ｂの幅Ｗが、対向端面６ｅにおいてはＷＩであり、出射側端面６ｆ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、光導波路の長手方向と側面６ｄとの角度θ２は一定であり、θ１は０°となっている。

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６の蛍光体素子３１においては、光導波路６Ｃの厚さＴが、対向端面６ｅにおいてはＴＩであり、出射側端面６ｆ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。

なお、αは、光導波路の長手方向Ｋと上面６ｂとの角度である。本例では角度αは一定である。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。

次に、光導波路の幅や厚さを変化させることによる利点について更に説明する。

図７に示す蛍光体素子１においては、光導波路６の幅が一定である。ここで、励起光Ａが光導波路内を伝搬し、蛍光体粒子１２に当たると、蛍光体粒子１２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１２から出射側端面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６ｆ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６ｆ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、白色光の取出し効率を大きく改善することはできない。

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６ｆ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。

ここで、蛍光体１２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１２から対向端面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。このため、対向端面に、蛍光を反射する反射膜を設けることで、出射側端面側へと向かって蛍光を反射させることが好ましい。

一方、図８に示す蛍光体素子１１においては、光導波路６の幅Ｗが対向端面から出射側端面へと向かって徐々に大きくなっている。ここで、励起光Ａが光導波路内を伝搬し、蛍光体粒子１２に当たると、蛍光体粒子１２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１２から出射側端面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。

例えば光導波路の側面６ｄが長手方向Ｋに対してθ２傾斜している場合には、蛍光Ｆの入射角θｐが、図７の例に比べてθ２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
７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。

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１２から、光導波路の長手方向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θ２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、反射膜４Ｄで反射されることになるが、次に反対側側面６ｃのクラッド層５Ｃとの界面に入射する角度はさらにθ１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。側面６ｄ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θ２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。

以上のことから、光導波路６の幅Ｗが対向端面から出射側端面へと向かって徐々に大きくなっている場合には、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。

蛍光体１２から対向端面側へ向かう蛍光Ｅについては、反射膜によって反射されるごとに、角度θ２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。

ここでは、幅を変化させた場合のみの作用効果について述べたが、厚み方向を変化させた場合も同じであり、図６のように上面側のみ角度αだけ傾斜している場合においても、上面側に反射し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。

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。

さらに、蛍光体で発生する熱を高熱伝導の反射膜を通じて高効率に高熱伝導の支持基板に伝熱することができるので、熱劣化による変換効率低下もなく色むらの変化を著しく消失できる蛍光体素子を実現することができる。

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９に示す蛍光体素子４１においては、光導波路６Ｄの幅が、上面における幅ＷＵから底面における幅ＷＢに向かって徐々に大きくなっている。なお、βは、支持基板２の表面２ａの法線Ｍに対する側面６ｃ（６ｄ）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θ１、θ２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。

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１２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は、側面６ｃ（６ｄ）によって反射される。このとき、側面６ｃ（６ｄ）が法線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。

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。

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。

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。

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。

光導波路の厚さとは、支持基板２の表面２ａに垂直な方向に見た光導波路の寸法である。また、光導波路の幅とは、支持基板２の表面２ａに平行な方向に見た光導波路の寸法である。

光導波路の幅Ｗ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。

出射側端面における光導波路幅ＷＯと、対向端面における光導波路幅ＷＩとの比率（ＷＯ／ＷＩ）は、本発明の観点からは、１．２以上が好ましく、１．５以上が更に好ましい。一方、ＷＯ／ＷＩは１０以下が好ましく、５以下が更に好ましい。

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。

出射側端面における光導波路厚さＴＯと、対向端面における光導波路幅ＴＩとの比率（ＴＯ／ＴＩ）は、本発明の観点からは、１．１以上が好ましく、１．２以上が更に好ましい。一方、ＴＯ／ＴＩは２以下が好ましく、１．９以下が更に好ましい。

光導波路の長手方向に対する上面、側面の角度θ１、θ２、αは、出射光量を増加させるという観点からは、２°以上が好ましく、４°以上が更に好ましい。

光導波路の長手方向に対する上面、側面の角度θ１、θ２、αは、角度が大きいと励起光と蛍光がうまくミキシングできず、光の伝搬方向に垂直な面で見たときにその中心部では白色になるが、外周部では蛍光のみが存在する照明パターンになる傾向があることがわかった。これは、前記θ１、θ２、αがある程度大きくなると、レーザー光である励起光については、蛍光体内に拡がらず伝搬するためで、これに対して蛍光は等方性に発光するので、蛍光体内に拡がることから起る現象と考えられる。この観点から、角度θ１、θ２、αは、１３°以下が好ましく、１０°以下が更に好ましく、５°以下が一層好ましい。

また、支持基板の表面の法線Ｍに対する各側面の傾斜角度β（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。一方、βは、５０°以下が好ましく、３５°以下が更に好ましく、３０°以下が一層好ましく、２５°以下が特に好ましい。

光導波路の長さ（出射側端面と対向端面との間隔）Ｌ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。

支持基板と反射膜との間には、反射膜のはがれを防止するために、剥離防止層、好ましくは酸化膜を形成してもよい。このような酸化膜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。

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。

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く、クラッド層が接着層を兼ねていても良い。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。また蛍光体基板で発生した熱を支持基板を通して放熱するという観点では、蛍光体よりも熱伝導率を高くする方がよく、こうした材料として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯが特に好ましい。

クラッド層と反射膜との間に接合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。

こうした接合層は、反射膜と支持基板との間にあってもよい。この場合は、蛍光体側に底面側クラッド層と底面側反射膜、接合層を形成し、支持基板側に接合層を形成し、両者を直接接合するようなプロセスで製造することができる。ここで反射膜と接合層、および支持基板と接合層の間に剥離防止層があってもよい。

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。

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。

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。

蛍光体単結晶としてはＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｂａ_５Ｓｉ_１１Ａ_ｌ７Ｎ_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。

支持基板の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶であってよい。しかし、光源の熱が蛍光体に伝導すること、あるいは、波長変換や外部から蛍光体自体が加熱することを抑制するために、放熱特性のよい支持基板を使用することができる。この場合には、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、Ｓｉ、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。

支持基板と反射膜との間には、光導波路のはがれを防止するために、剥離防止層、好ましくは酸化膜を形成してもよい。このような酸化膜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。

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。

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

また、光源素子、蛍光体素子の各端面は、それぞれ、端面反射を抑制するために斜めカットしていてもよい。また、蛍光体素子と支持基板の接合は、接着固定でもよく、直接接合でもよい。支持基板にスパッタ、ＣＶＤ等の成膜法により蛍光体素子を形成してもよい。

本願の蛍光体素子を応用した白色レーザー光発光装置の構造を図１４に例示する。本構造では、パッケージ４２内に実装基板４４を固定し、実装基板４４上に、励起光を発振するレーザー光源４３と、蛍光体素子１（１１、３１、４１）とを直線的に配置し、光源４３から出射するレーザー光を直接に蛍光体素子の光導波路に入射する。レーザーの素子長は例えば１．５ｍｍ程度となっており、導波路蛍光体の素子長を２ｍｍとした場合に、実装基板も含めて５ｍｍ以下のサイズで実現できる。

また蛍光体の入射側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、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Ｃを得ることができる。

（実験Ａ）
（実施例Ａ１の蛍光体素子の作製）
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４Ａを０．５μｍ成膜した。次に、Ａｌ_２Ｏ_３からなる接合層３を０．３μｍ成膜した。また、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３００μｍ、４インチ蛍光体ウエハー上にＡｌ_２Ｏ_３からなるクラッド層５Ａ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。

その後、光導波路の厚さＴを１００μｍの厚みまで薄板研磨を行った。薄板研磨は、グラインダー研削、ラップを行い、最後にＣＭＰ（化学機械）研磨を行った。ＣＭＰ研磨後、幅２００μｍ、＃６０００のブレードを使用してダイシングによる切削加工にて深さ１５０μｍの溝９を２本加工して、幅Ｗ１００μｍのリッジ型光導波路を形成した。

さらに、リッジ光導波路形成面にＡｌ_２Ｏ_３からなるクラッド層２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のブレードにて光導波路長１ｍｍのバー状に切断し、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誘電体多層膜を成膜した。
最後に、成膜後の切断で使用したブレードを使用して幅０．８ｍｍにチップ切断をして、蛍光体素子を作製した。

（実施例Ａ２の蛍光体素子の作製）
図１、図２および図６に示すような蛍光体素子３１を作製した。
具体的には、実施例Ａ１と同様にして窒化アルミニウムからなる放熱基板に多結晶蛍光体板を貼り合わせし、複合基板を作製した。

その後、高速スライシング装置にて幅１ｍｍ、＃６０００のブレードで先端の傾斜角５°のくさび形状のものを使用して入射部の光導波路の厚みＴが１００μｍになるようにウエハーを高速スライシング装置上にセッティングして切削加工にて薄板化した。このとき蛍光体導波路の厚みの傾斜角度α は５°であった。

（実施例Ａ３の蛍光体素子の作製）
図２、図３および図９に示すような蛍光体素子４１を作製した。具体的には、実施例Ａ２と同様にして作製した。
ただし、切削加工によるリッジ導波路形成工程では、リッジ上面部の幅Ｗが１００μｍ、傾斜角度βが２０°になるようにブレードを選定して切削加工を実施した。その他のプロセスは実施例Ａ２と同じとした。
薄板加工後、実施例Ａ１と同様にクラッド層、反射膜、保護膜（図示せず）を成膜し、バー切断、端面成膜、チップ切断を実施し、蛍光体素子を作製した。

（比較例１の蛍光体素子の作製）
実施例Ａ１と同様にして、図１１、図２、図３に示す形態の蛍光体素子４１を作製した。
ただし、図１１に示すように、光導波路の側面側、上面側には、反射膜を設けなかった。

（比較例２の蛍光体素子の作製）
実施例１と同様にして、図１、図２、図３に示す形態の蛍光体素子を作製した。ただし、本例では、クラッド層を設けず、光導波路の上面、底面、側面上にそれぞれ反射膜を直接形成した。

（光学特性評価）
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。各例の蛍光体素子の評価結果を表１に示す。

（平均出力）
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。

（色ムラ温度特性）
温度変化―４０℃から８０℃での環境下で、５００サイクル試験を実施して、後述のように照明光の色ムラ変動を評価した。この試験においては、光源である半導体レーザーには温度変動がない状態とし、蛍光体のみに温度変化がおこる条件下で測定した。

（色ムラ測定）
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。

（実験Ｂ）
実施例Ａ２の蛍光体素子において、入射部の蛍光体厚みと導波路幅を固定して傾斜角θ１、θ２を、０°、５°、１０°、１３°、１５°、２０°にした各素子の色ムラを測定した。この結果を表２に示す。

この結果、傾斜角度が１５°以上では、色ムラが発生することがわかった。この照明パターンを観察したところ、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。これを色ムラ面内分布有りと定義した。

（実験Ｃ）
また、実験Ｂと同様にして、厚み方向の傾斜角αを０°、５°、１０°、１３°、１５°、２０°に変化させた。この場合も、実験Ｂと同じ角度で、色ムラ面内分布有りが発生した。

蛍光体素子の構造においては、上記の実施例に記載した構造以外にも適用できる。
例えば、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上にスパッタリングにてＡｌ_２Ｏ_３からなる剥離防止膜、Ｔａ_２Ｏ_５からなる接合層を成膜して、一方、多結晶蛍光体ウエハー上にＡｌ２Ｏ３からなるクラッド層、Ａｌからなる反射膜、Ａｌ_２Ｏ_３からなる剥離防止膜、Ｔａ_２Ｏ_５からなる接合層を成膜して、両者をＴａ_２Ｏ _５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構造を使用してもよい。

（実験Ｄ）
実施例Ａ２において、図９に示す傾斜角度βを変更した素子を作製した。
ただし、切削加工によるリッジ導波路形成工程では、リッジ上面部の幅Ｗを１００μｍとし、傾斜角度βは、０°から６０°に変更したものをブレードを選定して切削加工を実施した。その他のプロセスは実施例Ａ２と同じとした。

この結果、傾斜角度βが１０°以上、５０°以下では、色ムラが発生することなく、白色光の強度も特に大きくなることがわかった。βが６０°の場合、照明パターンを観察したところ、中心部では色ムラのない白色光となっていたが、外周部では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現れる傾向があった。これを「色ムラ面内分布有り」と定義した。

Claims (13)

1. 支持基板、
   励起光を光導波路伝搬し、蛍光を発生する蛍光体からなる光導波路であって、前記光導波路が、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、底面、この底面に対向する上面、および一対の側面を有している光導波路、
   前記光導波路の前記底面を被覆する底面側クラッド層、
   前記光導波路の前記上面を被覆する上面側クラッド層、
   前記光導波路の一対の前記側面をそれぞれ被覆する側面側クラッド層、
   前記上面側クラッド層を被覆する上面側反射膜、
   前記側面側クラッド層をそれぞれ被覆する側面側反射膜、および
   前記支持基板と前記底面側クラッド層との間に設けられている底面側反射膜を備えていることを特徴とする、蛍光体素子。
2. 前記支持基板に、側壁面と底壁面とを有する溝が形成されており、前記側壁面と前記底壁面とを被覆する凹部側クラッド層と、この凹部側クラッド層上に設けられた凹部側反射膜を備えており、前記凹部側クラッド層と前記側面側クラッド層とが連続しており、前記凹部側反射膜と前記側面側反射膜とが連続していることを特徴とする、請求項１記載の素子。
3. 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１または２記載の素子。
4. 前記光導波路の長手方向に対する前記一対の前記側面のうち少なくとも一方の傾斜角度が２°以上、１３°以下であることを特徴とする、請求項３記載の素子。
5. 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１〜４のいずれか一つの請求項に記載の素子。
6. 前記光導波路の長手方向に対する前記上面または前記底面の傾斜角度が２°以上、１３°以下であることを特徴とする、請求項５記載の素子。
7. 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１〜６のいずれか一つの請求項に記載の素子。
8. 前記底面の法線に対する前記一対の側面のうち少なくとも一方の傾斜角度が１０°以上、５０°以下であることを特徴とする、請求項７記載の素子。
9. 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１〜８のいずれか一つの請求項に記載の素子。
10. 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素子。
11. 前記出射側端面が、前記励起光を入射させるための入射面であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つの請求項に記載の素子。
12. 前記支持基板と前記底面側反射膜との間に設けられた剥離防止層を備えていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つの請求項に記載の素子。
13. 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、請求項１〜１２のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子であり、前記光導波路から白色光が放射することを特徴とする、照明装置。
    
    

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