JP6457099B2 - 波長変換部材および発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、励起光の波長を変換する波長変換部材、および当該波長変換部材を備える発光装置に関する。

近年、レーザ素子（ＬＤ：Laser Diode）などの発光素子を光源として備え、当該発光素子から出射された励起光を、蛍光体を含む発光部に照射して発生させた照明光を投光する発光装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、半導体レーザ素子と、当該半導体レーザ素子に隣接する蛍光材料とを備え、半導体レーザ素子のレーザ光を受光した蛍光材料が前記レーザ光とは異なる波長の光を放出する発光装置が記載されている。また、特許文献１には、蛍光材料について、単結晶であれば、より安定した発光が得られることが記載されている。

日本国公開特許公報「特開２０１０−２５１６８６号（２０１０年１１月４日公開）」

しかしながら、蛍光物質の種類によっては、単結晶を加工することは困難である。このため、単結晶を波長変換部材に用いる場合には、波長変換部材の歩留まりが低下するという問題がある。特許文献１には、このような問題およびその解決方法については、何ら記載されていない。

本願発明は、単結晶の蛍光体を含み、かつ高い歩留まりを有する波長変換部材を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る波長変換部材は、励起光源から出射された励起光の波長を変換する波長変換部材であって、単結晶の蛍光体からなる蛍光体層を含み、上記蛍光体層の、側面より面積の広い上面の面方位は｛１１１｝であり、複数の上記側面のうちの、一部の側面の面方位は｛１−１０｝である。

また、本発明の一態様に係る波長変換部材は、励起光源から出射された励起光の波長を変換する波長変換部材であって、単結晶の蛍光体からなる蛍光体層を含み、上記蛍光体層の、側面より面積の広い上面の面方位は｛００１｝であり、複数の上記側面のうちの、一部の側面の面方位は｛１１０｝である。

本発明の一態様によれば、単結晶の蛍光体を含み、かつ高い歩留まりを有する波長変換部材を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る発光部の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る発光装置の構成を示す断面図である。 一般的なガーネット系蛍光物質の結晶構造を示す図である。 （ａ）は、支持層を備える発光部の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、支持層を有する発光部が分割される前の、発光部ウエハーの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る発光装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る発光部の構成を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、いずれも発光部の製造工程を説明するための図である。 （ａ）は、発光部ウエハーの形状を示す斜視図である。（ｂ）は、発光部の形状を示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）はいずれも本発明の実施形態３に係る発光部の構成を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態４に係る発光装置の構成を示す断面図である。（ｂ）は、（ａ）に示した発光装置が備える蛍光体の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態５に係る発光装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態５に係る発光装置の構成を示す断面図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３を用いて説明する。本実施形態では、単結晶のＣｅ：ＹＡＧ（セリウム添加イットリウムアルミニウムガーネット）（蛍光体）で構成される蛍光体層１ａを含む発光部１（波長変換部材）を備える、反射型の発光装置１０について説明する。ここで、「反射型」とは、発光部１において励起光が照射される面から蛍光が取り出される構成を意味する。

以下の説明では、結晶構造について、個別方位は［］、集合方位は＜＞、個別面は（）、集合面は｛｝でそれぞれ示されている。また、通常、結晶面の面方位を示す指数が負である場合、当該指数に上付きのバーを付す。しかし、本発明の特許請求の範囲、明細書、および要約書においては、当該指数の前にマイナスを付すことによって、当該指数が負であることを表現することとする。さらに、面方位が｛ａｂｃ｝（ａ、ｂ、およびｃはそれぞれ整数）である面について、｛ａｂｃ｝面と表現する。また、六方晶系の単結晶の場合、面方位が｛ｈｋｌｍ｝（ｈ、ｋ、ｌおよびｍはそれぞれ整数）である面について、｛ｈｋｌｍ｝面と表現する。

（発光装置１０）
図２は、本実施形態に係る発光装置１０の構成を示す断面図である。図２に示すように、発光装置１０は、レーザ光源１１と、第１ミラー１２と、第２ミラー１３と、発光部１と、筐体１４と、透光部材１５と、保持部材１６とを備える。

レーザ光源１１（励起光源）は、レーザ光（励起光）を発する光源である。本実施形態において、レーザ光源１１は、レーザダイオードが直径９ｍｍのレンズ付き金属パッケージに実装された構成を有する。また、上記レーザダイオードが発するレーザ光の波長は４４５ｎｍであり、出力は５Ｗである。

なお、レーザ光源１１が備えるレーザダイオードの大きさ、当該レーザダイオードが発するレーザ光の波長、出力、およびレーザ光源１１の実装様式などは、上記のものに限定されない。レーザ光源１１については、レーザダイオードが直径９ｍｍのレンズ付き金属パッケージに実装されていることにより、構成を小さくしやすいメリットがある。ただし、必ずしもレンズ付き金属パッケージを用いる必要はなく、レンズと金属パッケージとが別体であってもよい。また、レーザ光源１１に替えて、ガスレーザなど、半導体レーザ以外のレーザ、またはＬＥＤ（Light Emitting Diode）などを励起光源として用いてもよい。

第１ミラー１２および第２ミラー１３は、レーザ光源１１が発したレーザ光を発光部１へ案内する反射鏡である。第１ミラー１２は、後述する筐体１４内に配されている。第２ミラー１３は、後述する透光部材１５の、発光部１と対向する面に設けられている。

筐体１４は、レーザ光源１１および第１ミラー１２を収容する部材である。筐体１４には、開口１４ａが設けられている。レーザ光源１１が発したレーザ光は、第１ミラー１２で反射され、開口１４ａから筐体１４の外部に出射される。

本実施形態において、筐体１４は、金属（例えば、アルミニウム、ステンレス、銅または鉄）などの熱伝導性が高い材料で構成されている。そのため、筐体１４は、レーザ光源１１の発熱を効率的に吸収して放熱することができる。なお、筐体１４は、金属以外の熱伝導性が高い物質（高熱伝導性樹脂、高熱伝導性セラミックスなど）を含んでもよい。

また、筐体１４は、開口１４ａに透光性を有する部材が嵌め込まれ、内部が密閉された状態であってもよい。この場合、筐体１４の内部に湿気が浸入して、結露などが生じることを抑制することができる。したがって、筐体１４の内部に配設されたレーザ光源１１などの光学部品を、湿気などから保護することができる。なお、溶接によって筐体１４の内部が密閉されるようにすることで、筐体１４の内部の気密性をさらに向上させることができる。

また、開口１４ａを塞いで筐体１４の内部を密閉するのではなく、透光部材１５まで含めて密閉してもよい。この場合、発光部１へのコンタミなども防止することができる。また、筐体１４の内部を密閉する方法は、溶接に限られず、インコネルなどを介したろう材によるろう付けなど、別の方法であってもよい。

透光部材１５は、ガラスなどの透光性を有する材料で構成された板状部材である。透光部材１５は、発光部１が発生させた蛍光を、発光装置１０の外部に取り出すための、発光装置１０の窓部として作用する。

保持部材１６は、発光部１を保持する部材である。具体的には、保持部材１６は、筐体１４の外面に固定された、円形の板である。保持部材１６の厚さは、０．１ｍｍ以上である。保持部材１６の中心には、孔部が設けられている。発光部１は、上記孔部に嵌合されることで、保持部材１６に保持される。保持部材１６は、筐体１４と同様に、熱伝導性が高い材料で構成されている。そのため、発光部１の発熱を効率的に吸収して放出することができる。なお、発光部１は、保持部材１６を介さず、ハンダなどのろう材を用いて筐体１４に接着されていてもよい。

（発光部１）
図１は、発光部１の構成を示す断面図である。発光部１は、レーザ光源１１から出射されたレーザ光の波長を変換する波長変換部材である。図１に示すように、発光部１は、蛍光体層１ａと、反射層１ｃとを備える。発光部１は、１ｍｍ角であり、かつ厚さが約２０μｍの薄片形状を有する。

蛍光体層１ａは、レーザ光源１１から出射されたレーザ光により励起され、当該レーザ光とは異なる波長の蛍光を発生させる。蛍光体層１ａは、分割面１ｄ（側面）と、分割面１ｄより面積の広い主平面１ｂ（上面）とを有する。レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、主平面１ｂから蛍光体層１ａに入射する。蛍光体層１ａで発生した蛍光は、主平面１ｂから出射される。また、蛍光体層１ａは、主平面１ｂと対向する面において、反射層１ｃと接合されている。

蛍光体層１ａは、単結晶の蛍光体からなる。本実施形態において、蛍光体層１ａは、単結晶のＣｅ：ＹＡＧ（セリウム添加イットリウムアルミニウムガーネット）からなる。また、本実施形態において、蛍光体層１ａの厚さは、２０μｍである。

図３は、一般的なガーネット系蛍光物質の結晶構造を示す図である。図３において、矢印ａで示す紙面に平行な方向が、結晶の［００１］方向である。矢印ｃで示す紙面に平行な方向が、結晶の［０１０］方向である。矢印ｂ（紙面から手前へ伸びている矢印）が、結晶の［１００］方向である。（図３は、“http://www.geo.shimane-u.ac.jp/akasaka/SaikoGakufu.htm”を出典とする。）
主平面１ｂは、第２ミラー１３に反射したレーザ光が蛍光体層１ａの内部へ入射する面である。また、主平面１ｂは、蛍光体層１ａの内部から蛍光が出射される面でもある。本実施形態において、主平面１ｂの面方位は、｛１１１｝である。主平面１ｂには、複数の四角錘形状のテクスチャ１ｆが形成されている。上記四角錘のサイズは、サブミクロンオーダーである。主平面１ｂにテクスチャ１ｆが形成されていることにより、主平面１ｂから出射される光は、蛍光体層１ａへのレーザ光の入射方向に関わらず等方的に分布する。

上記テクスチャの形状は、上述した四角錘形状に限定されない。例えば、テクスチャの形状は、円錐形状またはドーム形状などであってもよい。また、テクスチャは、断面がＵ字形状などである溝であってもよい。

反射層１ｃは、励起光としてのレーザ光、および蛍光体層１ａで発生した蛍光を反射する反射層である。反射層１ｃは、励起光、および蛍光体層１ａで波長変換された光の波長領域において、高い反射率を示す材質で構成されている。

反射層１ｃは、例えば、アルミニウム、または銀といった、所望の波長域（製品の仕様としての蛍光の波長域）の光に対する反射率が７５％以上である金属を主成分とする（８０％以上含有する）層である。この場合、反射率を増大させる増反射コートとなるような誘電体膜が、蛍光体層１ａと反射層１ｃとの間に設けられていてもよい。また、蛍光体層１ａと反射層１ｃとの密着性を向上させるため、厚さ１００ｎｍ以下の、ニッケルなどの金属で構成される密着層が設けられていてもよい。または、反射層１ｃは、上述した所望の波長域の光に対する反射率が７５％以上であるように構成された、誘電体多層膜であってもよい。

また、ハンダなどのろう材を用いて発光部１を保持部材１６などへ接着する時に、反射層１ｃの内部にハンダ材が拡散することで、反射層１ｃの反射率が低下する虞がある。そこで、反射層１ｃへのハンダ材の拡散を防止するため、反射層１ｃの、保持部材１６と接する部分には、バリアメタルであるプラチナまたはチタンの膜を形成することが好ましい。さらに、バリアメタルの膜の外側に、ハンダ材と共晶を形成するよう、金などの金属の膜を形成しておくことがより好ましい。

分割面１ｄは、発光部１の製造時に、単結晶蛍光体のウエハーから蛍光体層１ａが切り出されるときの切断面であり、蛍光体層１ａが有する複数の側面に相当する。複数の分割面１ｄのうちの、一部の分割面１ｄの面方位は、｛１−１０｝である。本実施形態において、分割面１ｄの数は４つである。分割面１ｄのうち２つは、単結晶の｛１−１０｝面である。分割面１ｄの残りの２つは、単結晶の｛１−１０｝面および｛１１１｝面の両方に垂直な面である。

また、主平面１ｂの面方位は、｛００１｝であってもよい。この場合、複数の分割面１ｄのうちの、一部の分割面１ｄの面方位は、｛１−１０｝面である。

（発光部１の効果）
ガーネット系の蛍光物質は、単結晶の加工が困難な材料である。具体的には、ガーネット系の単結晶からなる蛍光体層の製造工程において、不定形な割れおよびチッピングが生じる。このため、蛍光体の歩留まりが低下するという問題がある。

このような問題が生じる原因としては、（ｉ）ガーネット系の蛍光物質の単結晶が劈開性を有しないこと、（ｉｉ）蛍光物質を薄片状に加工する必要があること、および（ｉｉｉ）蛍光体表面に構造物を形成する必要があり、当該構造物を形成する過程で蛍光体にストレスおよびダメージが加わること、が挙げられる。

本願発明者は、ガーネット系の単結晶の蛍光体からなる蛍光体層について、作製を繰り返した。その結果、（ｉ）主平面の面方位が｛１１１｝であり、かつ複数の分割面のうちの、一部の分割面の面方位が｛１−１０｝である場合、または（ｉｉ）主平面の面方位が｛００１｝であり、かつ複数の分割面のうちの、一部の分割面の面方位が｛１１０｝である場合に、上記単結晶に、上述した不定形な割れおよびチッピングが生じにくくなることを見出した。

本実施形態に係る発光部１において、蛍光体層１ａは、ガーネット系の蛍光体であるＣｅ：ＹＡＧの単結晶であり、上記の（ｉ）または（ｉｉ）のいずれかの条件を満たすように構成されている。このため、発光部１の製造時に、蛍光体層１ａに不定形な割れおよびチッピングが生じにくい。したがって、発光部１は、高い歩留まりを示す。

なお、蛍光体層１ａを構成する蛍光体は、上述したＣｅ：ＹＡＧの単結晶に限定されず、Ｃｅ：ＬｕＡＧ（セリウム添加ルテチウムアルミニウムガーネット）やＣｅ：ＧＡＧＧ（セリウム添加ガドリニウムアルミニウムガリウムガーネット）など任意のガーネット系の蛍光体の単結晶を用いることができる。

なお、上述した通り、本実施形態において、蛍光体層１ａの厚さは２０μｍである。しかし、蛍光体層１ａの厚さはこの数値に限定されず、１ｍｍ以下であればよい。ただし、ハンドリングおよび分割時の発光部１の歩留まりを考慮すると、蛍光体層１ａの厚さは、１０μｍ以上、かつ１７０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。

また、蛍光体層１ａの厚さは、反射層１ｃの厚さより厚いことが好ましい。蛍光体層１ａの厚さが反射層１ｃの厚さ以下の場合、反射層１ｃの物性によっては発光部１を分割することが困難になる。例えば、蛍光体層１ａの厚さを１００μｍとし、反射層１ｃを厚さ５００μｍの銀で形成した場合、反射層１ｃを好ましい形状に分割（切断）することができず、発光部１の歩留まりが低下した。

また、図４の（ａ）は、支持層１ｅを備える発光部１の構成を示す断面図である。図４の（ａ）に示すように、発光部１は、支持層１ｅを備えていてもよい。支持層１ｅは、発光部１の分割時における、不定形な割れおよびチッピングの発生を抑制する部材である。支持層１ｅは、反射層１ｃの、蛍光体層１ａと対向する面とは逆の面に設けられている。また、支持層１ｅは、蛍光体層１ａより厚く形成されている。

図４の（ｂ）は、支持層１ｅを有する発光部１が分割される前の、発光部ウエハー１００の構成を示す断面図である。図４の（ｂ）に示すように、発光部ウエハー１００は、蛍光体層ウエハー１００ａと、反射層ウエハー１００ｂと、複数の支持層１ｅとを有する。支持層１ｅは、図４の（ｂ）に示すように、発光部１が分割される分割ライン以外の領域に配されている。このような発光部ウエハー１００を上記分割ラインに沿って分割することで、図４の（ａ）に示す発光部１が形成されるときの歩留まりが向上する。

具体例として、蛍光体層ウエハー１００ａに、反射層ウエハー１００ｂとして、厚さ１００ｎｍのアルミニウム膜を形成した。その後、反射層ウエハー１００ｂに、フォトリソグラフィーの手法により、支持層１ｅとして、ニッケルを５０μｍの厚さにパターンメッキした。さらにその後、蛍光体層ウエハー１００ａを厚さ２０μｍまで薄膜化し、分割したところ、分割による仕損品は発生しなかった。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図５〜図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。本実施形態では、Ｃｅ：ＹＡＧの単結晶を含む発光部２を備える、透過型の発光装置２０について説明する。ここで、「透過型」とは、発光部１において励起光が照射される面と反対側の面から蛍光が取り出される構成を意味する。なお、説明の便宜上、前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、その説明を省略する。

（発光装置２０）
図５は、本実施形態に係る発光装置２０の構成を示す断面図である。図５に示すように、発光装置２０は、複数のレーザ光源１１と、レンズ１１ａと、保持部材１６と、光ファイバー２１と、フェルール２２と、固定冶具２３と、レンズ２４と、レンズ固定部２５と、発光部２とを備える。

発光部２は、レーザ光源１１から出射されたレーザ光の波長を変換する波長変換部材である。発光部２についての詳しい説明は後述する。レンズ１１ａは、複数のレーザ光源１１のそれぞれが発するレーザ光を集光するレンズである。

光ファイバー２１は、レーザ光源１１から出射され、レンズ１１ａにより集光されたレーザ光を発光部２へ案内する導光部材である。光ファイバー２１は、複数のレーザ光源１１のそれぞれに対応する複数の入射側光ファイバー２１ａと、光ファイバーを結合させるコンバイナ２１ｂと、マルチモードシングルコアファイバである出射側光ファイバー２１ｃとを備える。光ファイバー２１は、複数の入射側光ファイバー２１ａが、コンバイナ２１ｂによって出射側光ファイバー２１ｃと結合されている構成を有する。フェルール２２は、出射側光ファイバー２１ｃを、発光部２と対向する側の端部において保持する部材である。

固定冶具２３は、発光部２が固定される部材である。固定冶具２３は、円筒形状であり、光が通過可能な空洞を有する。発光部２は、保持部材１６を介して固定冶具２３に固定されている。また、固定冶具２３は、出射側光ファイバー２１ｃが内包されたフェルール２２が固定されるフェルール固定部２３ａを有する。フェルール２２に内包された出射側光ファイバー２１ｃの端面より出射されたレーザ光は、結像レンズ２６を経由して発光部２に入射する。

結像レンズ２６は、出射側光ファイバー２１ｃの端面と発光部２とが、略共役な関係となる様に設置されている。このため、出射側光ファイバー２１ｃの、レーザ光が出射する端面における光強度分布が、発光部２に凡そ投影される。光ファイバー２１の長さは、出射側光ファイバー２１ｃの端面において、レーザ光の強度分布が略トップハット分布となる様に設定されている。このため、発光部２における光強度分布を均一化する事ができ、発光部２を、高輝度かつ高光束な光を発する光源とすることが可能となる。

また、発光部２の面積と、発光部２に略投影されるレーザ光の面積との比は、１：０．７以上であることが好ましく、１：０．９以上である事がより好ましい。発光部２の面積と、発光部２に略投影されるレーザ光の面積との比が上記の範囲内であれば、発光部２内におけるレーザ光の面内伝搬による光学ロスを低減させることができる。

また、固定冶具２３は、熱伝導率の高い材料で構成されている。さらに、固定冶具２３の、フェルール固定部２３ａの周囲には、鋸歯形状の放熱フィンが形成されている。このため、発光部２で発生した熱が、保持部材１６および固定冶具２３を経由して、外部へ放出されやすくなっている。

レンズ２４は、発光部２で波長変換された光を外部に投光するメニスカスレンズである。このため、レンズ２４は、ＬＥＤまたはレーザ光源といった、ランバーシアン配光である光源の光を効率よく投光することが可能なレンズである。また、レンズ２４は、非球面レンズである。このため、レンズ２４の収差は、球面レンズと比較して小さい。レンズ固定部２５は、レンズ２４を発光部２に対して固定する。本実施形態では、レンズ固定部２５は、固定冶具２３の側面、およびレンズ２４の側部を囲む円筒形状を有する。ただし、レンズ固定部２５の形状は、円筒形状に限られない。

（発光部２）
図６は、発光部２の構成を示す断面図である。図６に示すように、発光部２は、蛍光体層２ａと、透光層２ｃとを備える。発光部２は、１ｍｍΦであり、かつ厚さが０．１２ｍｍの薄片形状を有する。

蛍光体層２ａは、レーザ光源１１から出射されたレーザ光により励起され、当該レーザ光とは異なる波長の蛍光を発生させる部材である。蛍光体層２ａは、分割面２ｄ（側面）と、分割面２ｄより面積の広い主平面２ｂ（上面）とを有する。本実施形態において、主平面２ｂは、主平面１ｂと同様、Ｃｅ：ＹＡＧの単結晶の｛１１１｝面である。また、分割面２ｄの数は、分割面１ｄと同様、４つである。さらに、分割面２ｄの一部は、分割面１ｄと同様、Ｃｅ：ＹＡＧの単結晶の｛１−１０｝面である。さらに、蛍光体層２ａの厚さは、蛍光体層１ａと同様、２０μｍである。

透光層２ｃは、透光性を有する部材である。透光層２ｃは、蛍光体層２ａの機械強度を補うため、および熱伝導率を向上させるために設けられる。透光層２ｃは、透光性の単結晶で構成されている。本実施形態において、透光層２ｃは、厚さが１００μｍであるサファイアの単結晶である。後述する発光部２の製造方法における加工性の観点から、透光層２ｃは単結晶であることが好ましい。また、熱伝導率の観点から、透光層２ｃはサファイアの単結晶であることが好ましい。

透光層２ｃは、分割面２ｅと、分割面２ｅより面積の広い主平面２ｇとを有する。透光層２ｃは、主平面２ｇにおいて、蛍光体層２ａの主平面２ｂと対向する面（底面）と接合されている。主平面２ｇは、サファイアの（０００１）面である。

透光層２ｃは、蛍光体層２ａの分割面２ｄの数と同じ数の分割面２ｅを備える。すなわち、本実施形態において、分割面２ｅの数は４つである。複数の分割面２ｅの一部は、透光層２ｃを構成するサファイアの｛１−１００｝面である。

それぞれの分割面２ｅは、それぞれ分割面２ｄと同一平面上に存在している。特に、分割面２ｅの｛１−１００｝面は、分割面２ｄの｛１−１０｝面と同一平面上に存在している。ただし、分割面２ｅは、必ずしもそれぞれ分割面２ｄと同一平面上に存在している必要はなく、少なくとも略平行であればよい。すなわち、透光層２ｃの、面方位が｛１−１００｝である面は、蛍光体層２ａの、面方位が｛１−１０｝である分割面２ｄに平行であればよい。

また、蛍光体層２ａの主平面２ｂの面方位は、主平面１ｂと同様、｛００１｝であってもよい。その場合、複数の分割面２ｄについても、分割面１ｄと同様、一部の面方位が｛１１０｝となる。このような場合には、透光層２ｃの、面方位が｛１−１００｝である面は、蛍光体層２ａの、面方位が｛１１０｝である分割面に平行であればよい。

本実施形態においては、レーザ光は、透光層２ｃを経由して、透光層２ｃと蛍光体層２ａとの接合面から蛍光体層２ａに入射する。また、蛍光体層２ａで発生した蛍光は、主平面２ｂから出射される。また、蛍光体層２ａと透光層２ｃとの間に、励起光（レーザ光）を透過し、かつ蛍光を反射するダイクロイックミラーが設けられることが好ましい。

（発光部２の製造方法）
図７の（ａ）〜（ｄ）は、発光部２の製造工程を説明するための図である。発光部２の製造時には、まず、図７の（ａ）に示すように、単結晶の蛍光体からなる蛍光体層ウエハー１００ａと、透光性の単結晶で構成された透光層ウエハー１００ｃとが別々に製造される。この時、透光層ウエハー１００ｃの厚さは、６００μｍである。

次に、図７の（ｂ）に示すように、蛍光体層ウエハー１００ａと、透光層ウエハー１００ｃとが接合され、発光部ウエハー１００が形成される。本実施形態では、蛍光体層ウエハー１００ａと透光層ウエハー１００ｃとの間にアルミナバインダを配し、焼成することで、発光部ウエハー１００が形成される。蛍光体層ウエハー１００ａと透光層ウエハー１００ｃとの接着には、アルミナ系バインダを用いることが、屈折率の観点から好ましい。ただし、シリカ系バインダなど、他の無機バインダを用いてもよい。なお、本願発明者が有機バインダを用いて発光部ウエハーを作製し、長期信頼性試験を実施したところ、バインダーが変質し、励起光の透過率が低下するという結果になった。このことから、発光部ウエハーの作製に無機バインダを用いることが、長期信頼性の観点から好ましい。

また、本実施形態では、蛍光体層ウエハー１００ａの｛１１１｝面と、透光層ウエハー１００ｃを構成するサファイアの｛０００１｝面とが接合される。このとき、蛍光体層ウエハー１００ａの｛１−１０｝面と、透光層ウエハー１００ｃを構成するサファイアの｛１−１００｝平面とが平行であるように接合される。

その後、図７の（ｃ）に示すように、蛍光体層ウエハー１００ａの表面が研磨される。さらに、図７の（ｄ）に示すように、蛍光体層ウエハー１００ａの研磨された表面に、テクスチャ２ｆ（図６参照）が形成される。テクスチャ２ｆを形成する方法としては、フォトリソグラフィ、およびＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma、誘導結合プラズマ）によるエッチングなどが挙げられる。さらに、発光部ウエハー１００を小片化（ブレーク）しやすくするために、厚さが６００μｍである透光層ウエハー１００ｃを、研削および研磨により１００μｍの厚さとする。

なお、熱伝導率の観点からは、透光層ウエハー１００ｃが厚い方が好ましい。したがって、歩留まりを無視し、熱伝導率を重視するようなアプリケーションの場合は、透光層ウエハー１００ｃを、厚さが６００μｍのままで使用することが好ましい。

図８の（ａ）は、発光部ウエハー１００の形状を示す斜視図である。図８の（ｂ）は、発光部２の形状を示す斜視図である。図８の（ａ）に示す発光部ウエハー１００は、レーザスクライバによるステルスダイシングによって、１ｍｍ角にブレークされる。その結果、図８の（ｂ）に示す発光部２が形成される。

このとき、発光部ウエハー１００は、蛍光体層ウエハー１００ａの｛１−１０｝面および透光層ウエハー１００ｃの｛１−１００｝平面に平行な方向および垂直な方向に沿って切断される。この結果、分割面２ｄおよび分割面２ｅにおいて、蛍光体層２ａの｛１−１０｝面と、透光層２ｃのサファイアの｛１−１００｝平面とが同一平面上に存在する状態になる。

（発光部２の効果）
発光部２は、発光装置２０のような、透過型の発光装置に適用可能な発光部である。一般に、透過型の発光装置に用いられる発光部は、非常に薄いため、意図しない方向へ割れやすい。このため、発光部２においては、蛍光体層２ａに透光層２ｃとしてサファイア基板を接合することで、発光部２の全体としての強度を向上させている。しかし、サファイアもまた、加工する時に、不定形な割れおよびチッピングが生じやすい材料である。

本願発明者は、透過型の発光装置に適用可能な蛍光体の作製を繰り返した。その結果、サファイア基板は、｛１−１００｝面で割りやすく、分割しやすいという性質を有することを見出した。

そこで、本実施形態に係る発光部２においては、透光層２ｃの分割面２ｅが、サファイアの｛１−１００｝面であるように構成されている。すなわち、透光層２ｃは、サファイアの｛１−１００｝面に平行な方向に沿って切断される。これにより、上述した、不定形な割れおよびチッピングが生じにくくなり、発光部２の歩留まりが向上する。

また、本願発明者は、分割面２ｅの角度を変更しながら発光部２の作製を繰り返した。その結果、分割面２ｅが、サファイアの｛１−１００｝面から±１０°以内の傾きであれば、分割面２ｅがサファイアの｛１−１００｝面である場合と比較して、発光部２の歩留まりに有意な差は現れなかった。

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、図９に基づいて説明すれば、以下のとおりである。本実施形態では、拡散層を備える蛍光体について説明する。

図９は、本実施形態に係る発光部の構成を示す断面図である。図９の（ａ）は、反射型の発光装置に適用される発光部３Ａの構成を示す断面図である。図９の（ａ）に示すように、発光部３Ａは、蛍光体層３ａ、反射層１ｃ、および拡散層３ｂを備える。また、図９の（ｂ）は、透過型の発光装置に適用される発光部３Ｂの構成を示す断面図である。図９の（ｂ）に示すように、発光部３Ｂは、蛍光体層３ａ、透光層２ｃ、および拡散層３ｂを備える。

蛍光体層３ａは、テクスチャが形成されていないことを除いて、蛍光体層１ａ・２ａと同様の部材である。拡散層３ｂは、蛍光体層３ａから出射される光を等方的に拡散させる部材である。拡散層３ｂの例としては、球状サファイアまたは空隙を多数含有する無機膜などが挙げられる。

このような発光部３Ａまたは発光部３Ｂも、発光部１または発光部２と同様、当該発光部により波長変換された光を等方的に出射させることができる。

〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、図１０に基づいて説明すれば、以下のとおりである。本実施形態では、プロジェクタ用光源などに適用可能な発光装置３０について説明する。

（発光装置３０）
図１０の（ａ）は、本実施形態に係る発光装置３０の構成を示す断面図である。図１０の（ａ）に示すように、発光装置３０は、複数のレーザ光源１１と、集光レンズ３１と、筐体３２と、放熱部材３３と、発光部４とを備える。

集光レンズ３１は、複数のレーザ光源１１が発するレーザ光を発光部４へ向けて集光するレンズである。本実施形態において、集光レンズ３１は、凸形状の球面レンズである。

筐体３２は、レーザ光源１１および集光レンズ３１を収容する筐体である。また、筐体３２は、孔部３２ａが設けられている。孔部３２ａには、発光部４が設けられている。したがって、発光部４は、レーザ光源１１からのレーザ光の波長を変換するとともに、発光装置３０から光を取り出すための窓部として作用する。

放熱部材３３は、熱伝導性の高い金属材料で構成されるヒートシンクである。放熱部材３３は、レーザ光源１１から熱を吸収し、吸収した熱を外気に放出させる。放熱部材３３は、図１０の（ａ）に示すように、鋸歯形状の放熱フィンを備えることで、放熱効率を向上させている。本実施形態において、放熱部材３３の材質は、アルミニウムである。

（発光部４）
図１０の（ｂ）は、発光装置３０が備える発光部４の構成を示す断面図である。図１０の（ｂ）に示すように、発光部４は、蛍光体層２ａと、透光層２ｃとを備える。

透光層２ｃの、レーザ光源１１と対向する面、および透光層２ｃと蛍光体層２ａとの接合面には、それぞれ励起光ＡＲ（Anti-Reflection）コート４ａ・４ｂが施されている。励起光ＡＲコート４ａ・４ｂは、レーザ光源１１から出射されるレーザ光の波長領域において、低い反射率を示すコート層である。このため、レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、これらの面でほとんど反射されることなく、蛍光体層２ａへ入射する。

一方、蛍光体層２ａの、発光装置３０の外部に向く面には、励起光ＨＲ（High-Reflection）コート４ｃ（コーティング）が施されている。励起光ＨＲコート４ｃは、レーザ光源１１から出射されるレーザ光の波長領域において、高い反射率を示すコート層である。一方、励起光ＨＲコート４ｃは、上記レーザ光の波長領域以外においては、低い反射率を示す。このため、蛍光体層２ａで波長変換されなかった上記レーザ光は、励起光ＨＲコート４ｃで反射され、発光部４からはほとんど出射されない。これに対し、蛍光体層２ａで波長変換された蛍光は、励起光ＨＲコート４ｃで反射されることなく、発光部４から出射される。

本実施形態においては、レーザ光源１１から出射されるレーザ光は、波長が４４５ｎｍの青色光である。これに対し、Ｃｅ：ＹＡＧで波長変換された光は、波長が５５０ｎｍの黄色光である。

そこで、本実施形態における励起光ＨＲコート４ｃは、少なくとも波長が４４５ｎｍ近傍である光に対して高い反射率を示し、かつ波長が５５０ｎｍ近傍である光に対して低い反射率を示すように構成されている。これにより、レーザ光源１１から出射された青色のレーザ光は発光部４から出射されず、Ｃｅ：ＹＡＧで波長変換された黄色の蛍光だけが発光部４から出射される。

このようなＨＲコート４ｃは、例えば誘電体多層膜を用いて形成されてよい。当該誘電体多層膜としては、例えばＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２の誘電体多層膜を使用することができる。

このように、発光部４を備える発光装置３０によれば、発光部４により波長変換された光だけを取り出すことが可能である。すなわち、発光装置３０は、例えば黄色など、特定の色の光を取り出せるように設計することが可能な発光装置である。

〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について、図１１，１２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。本実施形態では、発光部２を備える発光装置４０、５０について説明する。

（発光装置４０）
図１１は、発光装置４０の構成を示す断面図である。図１１に示すように、発光装置４０は、複数のレーザ光源１１と、複数のレンズ１１ａと、レンズ１１ｂと、放熱部材１１ｃと、光ファイバー４１と、フェルール２２と、固定冶具２３と、レンズ２４と、レンズ固定部２５と、結像レンズ２６と、発光部２とを備える。

光ファイバー４１は、レーザ光源１１から出射され、レンズ１１ａにより集光されたレーザ光を発光部２へ案内する導光部材である。光ファイバー４１は、シングルコアの光ファイバーである。なお、光ファイバー４１の代わりに、カレイドスコープまたはロッドレンズなどといった、出射端における出射光の強度分布が略トップハット分布になる光導波デバイスを用いてもよい。

レンズ１１ｂは、複数のレーザ光源１１から出射され、レンズ１１ａにより集光されたレーザ光を光ファイバー４１の一端において結合させる平凸レンズである。放熱部材１１ｃは、レーザ光源１１で発生した熱を放熱する部材である。

発光装置４０は、複数のレーザ光源１１からのレーザ光を、レンズ１１ｂにより、光ファイバー４１の一端において結合させるように構成されている。このような構成を有する発光装置４０は、発光装置２０と比較して、コストおよび信頼性に優れる。

（発光装置５０）
図１２は、発光装置５０の構成を示す断面図である。図１２に示すように、発光装置５０は、複数のレーザ光源１１と、レンズ１１ａと、レンズ１１ｄと、放熱部材１１ｃと、筐体５１と、保持部材１６と、レンズ５２と、発光部２とを備える。

レンズ１１ｄは、レンズ１１ａにより集光されたレーザ光を発光部２に集光する凸レンズである。筐体５１は、放熱部材１１ｃ、レンズ１１ｄ、保持部材１６、およびレンズ５２を保持した状態で収容する筐体である。本実施形態において、筐体５１は、筒状の部材である。

レンズ５２は、発光部２で波長変換された光を外部に投光する。レンズ５２はＣＯＢ（Chip On Board）レンズである。ＣＯＢレンズは、ＬＥＤまたはレーザ光源といった、ランバーシアン配光である光源の光を効率よく投光することが可能なレンズである。

発光装置５０は、光ファイバーを使用せず、レーザ光源１１からのレーザ光が直接蛍光体層２ａを励起するように構成されている。このような発光装置５０は、発光部２に照射される励起光のスポットは、発光装置２０および４０におけるスポットと比較して大きくなる。しかし、発光装置５０は、発光装置２０および４０と比較して低コストである。

上述した発光装置４０、５０は、発光装置２０と同様、発光部２を備える発光装置として好適に用いることができる。また、発光装置４０、５０は、発光部２の代わりに、発光部３Ｂまたは発光部４を備えていてもよい。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る波長変換部材（発光部１）は、励起光源から出射された励起光の波長を変換する波長変換部材であって、単結晶の蛍光体からなる蛍光体層（１ａ）を含み、上記蛍光体層の、側面（分割面１ｄ）より面積の広い上面（主平面１ｂ）の面方位は｛１１１｝であり、複数の上記側面のうちの、一部の側面の面方位は｛１−１０｝である。

上記の構成によれば、励起光の波長を変換する波長変換部材は、上面の面方位が｛１１１｝であり、複数の側面の一部の面方位が｛１−１０｝である、単結晶の蛍光体からなる蛍光体層を含む。

本願発明者は、ガーネット系の単結晶の蛍光体からなる蛍光体層について、上面の面方位が｛１１１｝であり、かつ複数の側面のうちの、一部の側面の面方位が｛１−１０｝である場合に、上記蛍光体層の製造時に不定形な割れおよびチッピングが生じにくくなることを見出した。したがって、上面および側面の面方位を上記のようにすることで、単結晶の蛍光体を含み、かつ高い歩留まりを有する波長変換部材を提供することができる。

本発明の態様２に係る波長変換部材は、励起光源から出射された励起光の波長を変換する波長変換部材であって、単結晶の蛍光体からなる蛍光体層を含み、上記蛍光体層の、側面より面積の広い上面の面方位は｛００１｝であり、複数の上記側面のうちの、一部の側面の面方位は｛１１０｝である。

上記の構成によれば、態様１と同様、単結晶の蛍光体を含み、かつ高い歩留まりを有する波長変換部材を提供することができる。

本発明の態様３に係る波長変換部材は、上記態様１において、上記上面と対向する底面に接合されている透光層（２ｃ）をさらに備え、上記透光層は、透光性の単結晶で構成され、上記透光層の、面方位が｛１−１００｝である面（分割面２ｅ）は、上記蛍光体層の、面方位が｛１−１０｝である側面（分割面２ｄ）に平行であることが好ましい。

上記の構成によれば、波長変換部材は、透光層をさらに備える。透光層は、透光性の単結晶で構成されている。透光層の、面方位が｛１−１００｝である面は、蛍光体層の、面方位が｛１−１０｝である側面に平行である。

本願発明者は、透光層を構成する透光性の単結晶について、｛１−１００｝面で割れが生じやすいという性質を有することを見出した。したがって、透光層の｛１−１００｝面を、蛍光体層の｛１−１０｝面と平行にし、蛍光体の製造時における分割方向を合わせることで、透光層に不定形な割れおよびチッピングが生じにくくなり、波長変換部材の歩留まりが向上する。

本発明の態様４に係る波長変換部材は、上記態様２において、上記上面と対向する底面に接合されている透光層をさらに備え、上記透光層は、透光性の単結晶で構成され、上記透光層の、面方位が｛１−１００｝である面は、上記蛍光体層の、面方位が｛１１０｝面である側面に平行であることが好ましい。

上記の構成によれば、態様３と同様、波長変換部材の歩留まりが向上する。

本発明の態様５に係る波長変換部材は、上記態様１から４のいずれか１つにおいて、上記上面に、上記励起光を反射するコーティング（励起光ＨＲコート４ｃ）が施されていることが好ましい。

上記の構成によれば、励起光が波長変換部材の主平面と対向する面から入射する場合に、波長変換されなかった励起光は、コーティングに反射されて、主平面から出射されない。したがって、波長変換部材により波長変換された光だけを取り出すことができる。

本発明の態様６に係る発光装置（１０）は、上記態様１から５のいずれか１つの波長変換部材を備える。

本発明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発明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、２、３Ａ、３Ｂ、４ 発光部（波長変換部材）
１ａ、２ａ、３ａ 蛍光体層
１ｂ、２ｂ 主平面（上面）
１ｂ、１ｄ、２ｄ、２ｅ 分割面（側面）
４ｃ 励起光ＨＲコート（コーティング）
１０、２０、３０ 発光装置
１１ レーザ光源（励起光源）

Claims (6)

1. 励起光源から出射された励起光の波長を変換する波長変換部材であって、
   単結晶の蛍光体からなる蛍光体層を含み、
   上記蛍光体層の、側面より面積の広い上面の面方位は｛１１１｝であり、
   複数の上記側面のうちの、一部の側面の面方位は｛１−１０｝であることを特徴とする波長変換部材。
2. 励起光源から出射された励起光の波長を変換する波長変換部材であって、
   単結晶の蛍光体からなる蛍光体層を含み、
   上記蛍光体層の、側面より面積の広い上面の面方位は｛００１｝であり、
   複数の上記側面のうちの、一部の側面の面方位は｛１１０｝であることを特徴とする波長変換部材。
3. 上記上面と対向する底面に接合されている透光層をさらに備え、
   上記透光層は、透光性の単結晶で構成され、
   上記透光層の、面方位が｛１−１００｝である面は、上記蛍光体層の、面方位が｛１−１０｝である側面に平行であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換部材。
4. 上記上面と対向する底面に接合されている透光層をさらに備え、
   上記透光層は、透光性の単結晶で構成され、
   上記透光層の、面方位が｛１−１００｝である面は、上記蛍光体層の、面方位が｛１１０｝面である側面に平行であることを特徴とする請求項２に記載の波長変換部材。
5. 上記上面に、上記励起光を反射するコーティングが施されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換部材。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の波長変換部材を備えることを特徴とする発光装置。

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