JP7335353B2

JP7335353B2 - 蛍光体素子、蛍光体デバイスおよび照明装置

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Publication number: JP7335353B2
Application number: JP2021561413A
Authority: JP
Inventors: 順悟近藤; 直剛岡田; 省一郎山口; 哲也江尻; 雄一岩田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2023-08-29
Anticipated expiration: 2040-11-24
Also published as: DE112020005288T5; WO2021106854A1; JPWO2021106854A1; US20220278506A1

Description

本発明は、蛍光体素子および蛍光を発光する照明装置に関するものである。

最近、レーザ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、青色レーザあるいは紫外レーザと蛍光体を組み合わせた白色光源がある。レーザ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（特許５６７９４３５）記載の蛍光体素子では、蛍光体の幅が、入射面から出射面へ向かって拡がっている。この蛍光体の側面の傾斜角度は１５度以上、３５度以下とされている。そして、樹脂ケースの中に蛍光体を収容し、ケースの内面をリフレクタ部として機能させるために金属膜が形成されている。蛍光体は封止樹脂によってケースの底面に固定されており、蛍光体の側面は空気で覆われている。

特許文献２（特開２０１７－８５０３８）に記載の蛍光体素子では、蛍光体の幅が、入射面から出射面へ向かって拡がっており、放熱部材の貫通孔に蛍光体を収容し、貫通孔の側面が貫通孔の表面とガラスペーストによって接着されている。

特許文献３（ＷＯ２０１３－１７５７０６Ａ１）では、放熱部材の貫通孔内に蛍光体を収容し、貫通孔内に蛍光体を固定する蛍光体素子が記載されている（図１５～図１８）。

特許５６７９４３５特開２０１７－８５０３８ＷＯ２０１３－１７５７０６Ａ１

しかし、本発明者が検討を進めるうちに、次の問題が明らかになってきた。すなわち、蛍光強度を高くするためには、励起光の強度を高くする必要がある。しかし、励起光強度を上げると、使用時に時間が経過すると蛍光強度が低下し、輝度ムラや色ムラが発生することがあった。このため、出射光の蛍光強度を高く維持するとともに、輝度ムラや色ムラを抑制することが必要である。

本発明の課題は、蛍光体部に対して励起光を入射させて蛍光を発生させるのに際して、出射光の蛍光強度を高くし，出射する白色光の輝度ムラを抑制することである。

本発明は、レーザ光の入射面、前記入射面に対向する出射面および側面を備えており、前記入射面に入射する前記レーザ光の少なくとも一部を蛍光に変換し、前記蛍光を前記出射面から出射させる蛍光体素子を提供する。

ここで、前記出射面の面積が前記入射面の面積よりも大きく、
前記出射面を二分する最長の分割線に沿って前記出射面に垂直な横断面で見たとき、前記出射面に対して垂直な垂直軸に対して前記側面がなす傾斜角度が、前記入射面から前記出射面に向かって単調増加する傾斜領域を備えており、前記横断面で見たときに前記傾斜領域が前記入射面から前記出射面まで前記側面の全長にわたって設けられており、
前記傾斜領域の前記入射面側の末端における前記傾斜角度と前記傾斜領域の前記出射面側の末端における前記傾斜角度との差が３°以上、４５°以下であることを特徴とする。

また、本発明は、レーザ光を発振する光源、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、レーザ光の入射面、前記入射面に対向する出射面および側面を備えており、前記入射面に入射する前記レーザ光の少なくとも一部を蛍光に変換し、前記蛍光を前記出射面から出射させる蛍光体素子であり、
前記出射面の面積が前記入射面の面積よりも大きく、
前記出射面を二分する最長の分割線に沿って前記出射面に垂直な横断面で見たとき、前記出射面に対して垂直な垂直軸に対して前記側面がなす傾斜角度が、前記入射面から前記出射面に向かって単調増加する傾斜領域を備えており、前記傾斜領域の前記入射面側の末端における前記傾斜角度と前記傾斜領域の前記出射面側の末端における前記傾斜角度との差が３°以上、４５°以下であることを特徴とする。

本発明の蛍光体素子によれば、蛍光体部に対して励起光を入射させて蛍光を発生させるのに際して、出射光の蛍光強度を向上させることに成功した。すなわち、出射面に対して垂直な垂直軸に対して前記側面がなす傾斜角度が、入射面から出射面に向かって単調増加する傾斜領域を設ける形態を検討した。これは、言い換えると、蛍光体素子の横幅が、出射面に向かってスカート状に広がるような形態を意味する（図１参照）。

このような形態を採用することで、特に出射面３の主として外周縁部において、出射光の蛍光強度が向上し、全体としての蛍光発生効率を高くできることを見いだした。これに加えて、従来は出射面３の主として外周縁部において輝度ムラが生ずることがあったが、外周縁部における出射光強度が高くなることで、結果的に輝度ムラも抑制されることを見いだし、本発明に到達した。

本発明の実施形態に係る蛍光体素子１を示す横断面図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）は、それぞれ、出射面の輪郭を示す正面図である。図１の蛍光体素子１の斜視図である。本発明の他の実施形態に係る蛍光体素子６を示す横断面図である。本発明の実施形態に係る蛍光体デバイス８を示す横断面図である。参考例に係る蛍光体デバイス１３を示す横断面図である。本発明の他の実施形態に係る蛍光体デバイス１８を示す横断面図である。（ａ）は、蛍光体板２１を示す斜視図であり、（ｂ）は、ハンドル基板２３を示す斜視図であり、（ｃ）は、蛍光体板２１とハンドル基板２３とを接合している状態を示す斜視図である。（ａ）は、ハンドル基板２３上に多数の蛍光体素子１を成形した状態を示し、（ｂ）は、各蛍光体素子および接着層２２の表面に低屈折率層１０および反射膜１１を設けた状態を示す斜視図である。実施例２の蛍光体素子の斜視図を示す光学写真である。本発明の更に他の実施形態に係る蛍光体素子３１を示す横断面図である。実施例３の蛍光体素子の斜視図を示す光学写真である。

本発明の蛍光体素子は、励起光の入射面、入射面に対向する反射面および側面を備えており、蛍光体素子に入射する励起光の少なくとも一部を蛍光に変換し、蛍光を対向面または入射面から出射させる。
ここで、励起光の全体を蛍光に変換した場合には、蛍光のみが出射面から出射する。あるいは、励起光の一部を蛍光に変換することで、励起光および蛍光を出射面から出射させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子１を示す斜視図である。蛍光体素子１は，励起光の入射面２、出射面３および側面４を少なくとも有する。側面とは、入射面と出射面との間に伸びる面である。ここで、蛍光体素子の形状は特に限定されない。入射面、出射面の形状は、好ましくは凸図形であり、更に好ましくは角のない湾曲線からなる凸図形である。あるいは入射面、出射面の外側輪郭に角のある場合には、角の角度が１０８°以上であることが好ましい。入射面、出射面の形状は、具体的には、円形、楕円形、多角形（四角形、五角形、六角形、八角形）であってよい。また、入射面、出射面の外側輪郭の角にはＲやＣが設けられていてよく、減肉による凹みがあってもよい。

例えば図２（ａ）の例では、出射面３は正方形ないし長方形であり、図２（ｂ）の例では、出射面３Ａは円形であり、図２（ｃ）の例では、出射面３Ｂは楕円形であり、図２（ｄ）の例では、出射面３Ｃは、正方形ないし長方形の四隅に丸み（Ｒ）を設けた形状であり、図２（ｅ）の例では、出射面３Ｄが五角形であり、図２（ｆ）の例では、出射面３Ｅが六角形である。４は側面である。

図１、図３に示すように、蛍光体素子１の入射面２からＬｉｎのように励起光を入射させる。励起光は蛍光体素子中で蛍光体にあたって蛍光を生じさせる。蛍光および励起光がＬｏｕｔのように出射面３から出射される。

ここで、本発明の蛍光体素子では、出射面３の面積が入射面２の面積よりも大きい。その上で、側面の形態が工夫されている。すなわち、図２（ａ）～（ｆ）に示すように、出射面３～３Ｅを面積からみて二分する最長の分割線Ｗを考える。４ａ、４ｂは、それぞれ、分割線Ｗと出射面の外側輪郭との接点を示す。この分割線Ｗに沿って出射面に垂直な横断面Ｚを図１、図３に示す。この横断面で見たとき、出射面３に対して垂直な垂直軸Ｐに対して側面がなす傾斜角度θが、入射面２から出射面３に向かって単調増加する傾斜領域Ｇを備えている。

ここで、θが単調増加するとは、数学的に見てθが減少したり、あるいはθが一定値となるような範囲がなく、増加し続けることを意味する。ただし、傾斜角度θの単調増加の度合いは特に限定されるものではなく、蛍光体素子の厚さ方向に向かって一定比率で増加してもよい。すなわち、入射面からの距離をｘとしたとき、傾斜角度θｘはｘに比例して増加してもよいが、ｘの2乗に比例して増加してもよく、あるいはｘの1/2乗に比例して増加してもよい。

また、前記傾斜領域Ｇは、蛍光体素子の入射面から出射面までの全長にわたって設けても良いが、蛍光体素子の入射面から出射面までの間の一部分に設けても良い。この場合には、蛍光体素子の入射面側に傾斜角度θが単調増加しない領域を設けることができ、あるいは蛍光体素子の出射面側に傾斜角度θが単調増加しない領域を設けることもできる。
更に、蛍光体素子に傾斜角度θが単調増加する傾斜領域を複数個設けることができる。この場合には、傾斜領域の個数は２～５が好ましく、２～３が更に好ましい。また、傾斜角度θが単調増加する傾斜領域を複数有する場合には、隣り合う傾斜領域は連続させることができ、あるいは隣り合う傾斜領域の間に、傾斜角度θが一定である領域を設けることもできる。

ここで、本発明の観点からは、傾斜領域が出射面まで達していることが好ましく、これによって出射面の特に外周縁部からの出射光強度を向上させ、かつ輝度ムラを低減することができる。

好適な実施形態においては、傾斜領域の入射面２側末端における傾斜角度θｔと傾斜領域の出射面３側末端における傾斜角度θｂとの差が３°以上、４５°以下である。本発明の観点からは、θｂ－θｔは、５°以上とすることが更に好ましく、また、４０°以下とすることが更に好ましい。

好適な実施形態においては、傾斜領域の入射面側末端における傾斜角度θｔが２０°以上、６２°以下である。θｔは、２５°以上であることが好ましく、また、４５°以下であることが特に好ましい。

本発明の観点からは、傾斜領域の出射面側末端における傾斜角度θｂは、２３°以上、６５°以下とすることが好ましい。θｂは、４０°以上とすることが更に好ましく、また、６０°以下とすることが更に好ましい。

本発明においては、前記傾斜領域を設けることから、出射面３の面積を入射面２の面積よりも大きくすることが必要である。ここで、本発明の観点からは、面積比率（（出射面３の面積）／（入射面２の面積））は、３以上であることが好ましく、５以上であることが更に好ましい。また、面積比率（（出射面３の面積）／（入射面２の面積））が大きすぎると色ムラが出やすくなるので、面積比率（（出射面３の面積）／（入射面２の面積））は４０以下であることが好ましく、３５以下であることが更に好ましい。

蛍光体素子の厚さ（入射面と出射面との間隔）は、本発明の観点からは、２５０～１０００μｍであることが好ましく、３００～７００μｍであることが更に好ましい。

図４は、本発明の他の実施形態に係る蛍光体素子６を示す。
蛍光体素子６は図１の蛍光体素子1と同様のものであるが、ただし入射面の外周縁部に沿って湾曲部Ｒｉｎを設けることができる。これによって、白色光を出射した場合の白色光の輝度ムラ、色ムラも抑制することが可能になる。輝度ムラ、色ムラを抑制するという観点からは、出射面３の外周縁部に湾曲部を設けることも可能である。

次いで、図５、図６を参照しつつ、本発明の蛍光体素子の作用効果について更に述べる。
図５に示すように、蛍光体素子１に対して励起光を入射させたものとする。ただし、本例では、蛍光体素子１の側面４上に後述の低屈折率層１０および反射膜１１を成膜することによって、蛍光体デバイス８を作製している。

蛍光体素子１中には多数の蛍光中心９（蛍光体粒子や希土類元素イオン）が分散されている。蛍光中心９からは、全方向に向かってランバーシアンに蛍光が発振される。ここで、比較的出射面３側に向かって発振した蛍光Ｃ１は、Ｃ２のように側面で反射され、Ｃ３のように出射面から出射される。一方、矢印Ａ１、Ｂ１のように横方向に向かって発振した蛍光は、Ａ２、Ａ３、Ｂ２のように側面４で反射を繰り返しつつ出射面へと向かう。この際、蛍光体素子１においては出射面３の近傍において蛍光体素子が広がった形状をしている。この結果、出射面３の外周縁部において出射面３で全反射された蛍光Ａ４、Ｂ３は、そのまま広がった外周縁部中を伝搬し、更に出射面の外周縁部に向かって進行し、最終的にＡ５、Ｂ４のように出射面３の外周縁部から出射しやすい。この結果、出射面３の外周縁部からの出射光強度を向上させることができる。

一方、図６に示すような比較形態の蛍光体素子１２および蛍光体デバイス１３は、前記横断面で見て台形の輪郭を有している。蛍光体素子１２は、入射面２、出射面３および、入射面と出射面との間の側面１４を有する。本例では、出射面に対する垂直軸Ｐに対する側面１４の傾斜角度θが一定である。なお、蛍光体素子１２の側面１４上には、低屈折率層１０および反射膜１１が設けられている。

蛍光体素子１２中には多数の蛍光中心９（蛍光体粒子や希土類元素イオン）が分散されている。蛍光中心９からは、全方向に向かってランバーシアンに蛍光が発振される。ここで、比較的出射面３側に向かって発振した蛍光Ｆ１は、Ｆ２のように側面で反射され、Ｆ３のように出射面から出射される。こうした蛍光については、図５の蛍光体素子１と同じである。

一方、矢印Ｄ１、Ｅ１のように横方向に向かって発振した蛍光は、Ｄ２、Ｅ２のように側面１４で反射を繰り返しつつ出射面へと向かう。この際、蛍光体素子１２においては、出射面３の近傍においても蛍光体素子のすそ野が特に広がった形状をしておらず、傾斜角度θが一定である。この結果、出射面３の外周縁部において出射面３で全反射された蛍光Ｅ３は更にＥ４のように反射を繰り返す。一方、蛍光Ｄ２は側面１４で反射され、Ｄ３のように出射面から出射する。こうした形態であると、出射面３の外周縁部からは蛍光が出射しにくくなり、蛍光強度が低下する傾向がある。

好適な実施形態として、蛍光体素子には、傾斜角度θが単調増加する傾斜領域が複数あってもよい。
図１１は、この実施形態に係る蛍光体素子３１を模式的に示す断面図である。蛍光体素子３１は、蛍光体素子１と類似したものであるが、しかし傾斜角度θが単調増加する傾斜領域を複数設けてある。
蛍光体素子３１の入射面２からＬｉｎのように励起光を入射させる。励起光は蛍光体素子３１中で蛍光体にあたって蛍光を生じさせる。蛍光および励起光がＬｏｕｔのように出射面３から出射される。出射面３の面積が入射面２の面積よりも大きい。

図１１は、分割線Ｗに沿って出射面に垂直な横断面Ｚを示す。この横断面で見たとき、出射面３に対して垂直な垂直軸Ｐに対して側面４がなす傾斜角度θが、入射面２から出射面３に向かって単調増加する複数の傾斜領域Ｇ１、Ｇ２を備えている。

これらの傾斜領域のうち、傾斜領域Ｇ１は入射面2側に設けられており、傾斜領域Ｇ2は出射面3側に設けられている。そして、傾斜領域Ｇ１と傾斜領域Ｇ２との間には、傾斜角度が一定である領域Ｌが設けられている。

蛍光体内で蛍光体粒子からランバーシアン発光した蛍光の内、入射面側に戻された光は、入射面２で反射されて再び出射面３側へ進行する。このとき、傾斜領域Ｇ１では、入射面２側側面の傾斜角が単調増加してより出射側に開くことによって、入射面２で反射することなく出射面３側へ進行する蛍光成分が増加する。また、入射面２で反射した後に少ない反射回数で蛍光を出射面３側に誘導できる。
傾斜角度が単調増加する傾斜領域が１つしかない場合には、基板厚が薄くなり過ぎることや、出射側の面積が大きくなり過ぎてしまうことで、色ムラが発生しやすくなることもある。このために出射面側に別の傾斜領域を設けてやると、色ムラが発生することなく基板厚や出射側面積を自由に調整することが可能となる。

入射面側の傾斜領域Ｇ１の入射面側末端における側面の傾斜角度θｔ１は、２０°以上、６２°以下であることが好ましく、２５°以上、４５°以下であることが更に好ましい。
傾斜領域Ｇ１の出射面側末端における側面の傾斜角度θｂ１は、２３°以上、６５°以下であることが好ましく、４０°以上、６０°以下であることが更に好ましい。
傾斜角度が一定の領域Ｌにおける傾斜角度はθｔ２となる。

出射面側の傾斜領域Ｇ２の入射面側末端における側面の傾斜角度θｔ２は、２０°以上、６２°以下とすることが好ましく、２５°以上、４５°以下とすることが更に好ましい。傾斜角度θｔ２は、傾斜角度θｂ１よりも小さい。
出射面側の傾斜領域Ｇ２の出射面側末端における側面の傾斜角度θｂ２は、２３°以上、６５°以下とすることが好ましく、４０°以上、６０°以下とすることが更に好ましい。

好適な実施形態においては、蛍光体素子あるいは蛍光体デバイスの外側に更に放熱基板を設けることができる。すなわち、図７に示す蛍光体デバイス１８においては、蛍光体素子１の側面上に低屈折率層１０および反射膜１１が設けられており、反射膜１１の外側に更に放熱基板２０が設けられている。これによって放熱を促進し、出射光の色むらを更に低減することができる。

蛍光体素子を構成する蛍光体は、励起光を蛍光に変換できるものであれば限定されないが、蛍光体ガラス、蛍光体単結晶または蛍光体多結晶であってよい。

また、蛍光体には、励起光および蛍光を散乱させるために散乱材を添加したり、空孔を設けたりすることができる。この場合、蛍光体に入射する光は、蛍光体内で散乱させるために出射光（励起光および蛍光）は散乱され散乱角は大きくなる。
散乱角は、例えば、サイバーネットシステム社の散乱測定器「Mini－Diｆｆ」によって測定することができる。散乱角は、出射光の透過スペクトルからピーク値の１／ｅ^２となる全幅角度と定義する。
このとき散乱角は５度以上であることが好ましく、１０度以上であることが更に好ましい。ただし、蛍光体素子を構成する蛍光体の散乱角の上限は特にないが、出射光の開口数（ＮＡ）以下であってよく、実用的な観点からは、８０度以下であってよい。

蛍光体ガラスは、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る。
蛍光体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やＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）が例示できる。ＹＡＧのＹ（イットリウム）の一部がＬｕに置換されていてもよい。また、蛍光体単結晶中にドープするドープ成分としては、希土類イオンが好ましく、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄが特に好ましいが、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌｕであってもよい。

また、蛍光体多結晶としては、ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）系、サイアロン系、窒化物系、ＢＯＳ（バリウム・オルソシリケート）系、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）が例示できる。ＹＡＧのＹ（イットリウム）の一部がＬｕに置換されていてもよい。
蛍光体多結晶中にドープするドープ成分としては、希土類イオンが好ましく、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄが特に好ましいが、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌｕであってもよい。

なお、本発明の蛍光体素子は、グレーティング（回折格子）を蛍光体素子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、グレーティングが蛍光体素子中に設けられていてもよい。

蛍光体素子の入射面上に更に部分透過膜を設けることができる。部分透過膜は、励起光の一部を反射し、残りを透過する膜である。具体的には、部分透過膜の励起光に対する反射率は、９％以上であり、５０％以下が好ましい。こうした部分透過膜の材質としては、後述する反射膜用の金属膜や誘電体多層膜を挙げることができる。

好適な実施形態においては、蛍光体素子の側面上に設けられた放熱基板が、熱伝導率（２５℃）が２００W／ｍＫ以上の材質からなることが好ましい。この熱伝導率の上限は特にないが、実際的な入手の観点からは、５００Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることが好ましく、３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることがさらに好ましい。

放熱基板の材質としては、金、銀、銅、アルミニウム、あるいは、これらの金属を含む合金が好ましい。
また放熱基板の材質としては、シリコンカーバイドや窒化アルミニウム、シリコンナイトライドなどのセラミックスが好ましい。セラミックスの場合、蛍光体との熱膨張係数をある程度に合わせることができる。このため熱応力によるクラックや割れを防止すること等の信頼性を向上するという点で有利となる。
さらに好適な実施形態において、放熱基板が金属の場合、金属メッキ、溶射、焼結型接合材から形成されていてもよい。この場合、蛍光体素子と放熱基板を綿密に接触させることができる。具体的には蛍光体素子に形成される金属膜と放熱基板の金属を金属間結合させることも可能である。したがって、熱抵抗を低減することができ、放熱性を向上させることができる。

焼結型接合材の種類は、銅、銀が例示できる。焼結接合材は、ペースト状にした金属粉を蛍光体素子に塗布成形して、２００℃から３５０℃で焼結することで放熱基板を形成することができる。
焼結型接合材は、予め金属やセラミックスで作製した放熱基板に蛍光体素子を充填、あるいは、固定するために使用することもできる。

前記低屈折率層の材質としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素を例示できる。また、低屈折率層の屈折率は、蛍光体の屈折率以下が好ましく、ＹＡＧ蛍光体の場合は１．７以下であることが好ましく、１．６以下であることが更に好ましい。低屈折率層の屈折率の下限は特になく、１以上であるが、１．４以上であることが実用的である。

低屈折率層が蛍光体部と反射膜の間にある場合、低屈折率層は蛍光体よりも低屈折率の材料からなることが好ましい。このようにすると、蛍光体と低屈折率層の屈折率差による全反射を利用することができ、反射膜での反射する光成分を少なくすることができ、反射膜による反射で光が吸収されることを抑制することができる。さらに、放熱性という観点から酸化アルミニウム、酸化マグネシウムが最も良い。

低屈折率層の厚みは１μｍ以下が好ましく、これによって放熱に対する影響を少なくできる。また、接合力の観点からは、低屈折率層の厚みは０．０５μｍ以上が好ましい。

反射膜の材質は、蛍光体素子を通過してきた励起光と蛍光を反射するものであれば特に制限されない。反射膜は、励起光を全反射する必要はなく、励起光の一部を透過させても良いし、全部を透過するものであっても良い。

好適な実施形態においては、反射膜が、金属膜または誘電体多層膜である。
反射膜を金属膜とした場合は、広い波長域で反射することができ、入射角度依存性も小さくすることができ、温度に対する耐久性、耐候性が優れている。一方、反射膜を誘電体多層膜とした場合には、吸収がないため、入射した光は損失なく１００％反射光とすることが可能であるし、酸化膜から構成できるので、接合層との密着性を上げることにより、はがれを防止できる。

反射膜による励起光の反射率は、８０％以上とするが、９５％以上であることが好ましく、また全反射してもよい。
誘電体多層膜は、高屈折材料と低屈折材料とを交互に積層した膜である。高屈折材料率としては、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｎｂ_２Ｏ_５を例示できる。また、低屈折材料としては、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２を例示できる。誘電体多層膜の積層数や合計厚さは、反射させるべき蛍光の波長によって適宜選択する。

また、金属膜の材質としては、以下が好ましい。
（１）Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの単層膜
（２）Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの多層膜
金属膜の厚さは、蛍光を反射できれば特に限定されないが、０．０５μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上が更に好ましい。また金属膜と基材との密着性を上げるために、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、等の金属膜を介して形成することもできる。

誘電体多層膜、金属膜の成膜方法は特に限定されないが、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法が好ましい。蒸着法の場合、イオンアシストを付加して成膜することもできる。

また、本発明の照明装置は、レーザ光を発振する光源、および前記蛍光体素子を備える。
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が好適である。また、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。
また、光ファイバーを通して光源からのレーザ光を蛍光体素子に対して入射させることもできる。

半導体レーザ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
また青色レーザや紫外レーザ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
青色レーザや紫外レーザ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

次に、蛍光体素子および蛍光体デバイスの製法例について述べる。図８（ａ）は蛍光体板２１を示し、図８（ｂ）はハンドル基板２３を示す。図８（ｃ）に示すように、ハンドル基板２３上に接合層２２を形成し、蛍光体板２１と対向させる。次いで、ハンドル基板２３上に蛍光体板２１を接合する。

次いで、ハンドル基板上の蛍光体板を加工することで、必要な形態を有する蛍光体素子を成形することができる。例えば、図９（ａ）の例では、接合層２２上に、所望形状を有する蛍光体素子１を多数成形している。こうした加工方法としては、ダイシング、スライシング、マイクログラインダー、レーザ加工、ウォータージェット、マイクロブラストを例示できる。
上記の加工方法で形成した加工面は、側面に到達して反射する散乱を抑制するために表面粗さＲａを小さくすることができる。この加工面の表面粗さは、この観点から、０．５μｍ以下が好ましく、さらに０．２μｍ以下にすることが一層好ましい。

次いで、好適な実施形態においては、図９（ｂ）に示すように、蛍光体素子１上および接合層２２上に、低屈折率層１０および反射膜１１を順次形成する。次いで、ハンドル基板２３および接合層２２を除去することによって、積層体を得ることができる。この積層体を切断することによって、所望の蛍光体デバイスを得ることができる。

（実施例１）
図８、図９を参照しつつ説明した方法により、図１、図５および図７に示す蛍光体素子１および蛍光体デバイス１８を製造した。
具体的には、図８に示すように、厚み０．４ｍｍ、直径４インチのＣｅをドープし、かつセラミック散乱材を添加したＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）多結晶からなる蛍光体板２１と、厚み０．３ｍｍ、直径４インチのサファイアウエハー（ハンドリング基板）２３とを用意した。熱可塑性樹脂２２を用いて両者を１００℃の高温で貼り合わせを行い、その後、常温にもどして一体化した。

次に、幅１００μｍ、＃１５００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を行い、入射面の幅を０．１５ｍｍとし、厚み方向については側面を傾斜させて、図１に示すように入力側の傾斜角θｔ＝３０°、出射側の傾斜角θｂ＝４０°となる形状に蛍光体を加工した。次いで、基板を９０度回転させ、ダイシングによるセットバック加工を行い、さきほどと同じ幅、角度θｔ、θｂの形状になる加工を行った。このときに蛍光体素子１の加工面の表面粗さは０．５μｍと見積もられた。

その後、蛍光体素子１の加工後の側面４に対して、スパッタリングにてＡｌ_２Ｏ_３からなる低屈折率層１０を側面に０．５μｍの厚みが形成されるように成膜した。さらにＡｇ系の合金膜からなる反射膜１１を側面に０．５μｍの厚みが形成されるように成膜した。

得られた蛍光体デバイスに放熱基板として銅をメッキ形成するために、まずＮｉ膜を０．２μｍ成膜して下地電極とした。その後、銅ダマシンプロセスを参考にして電解メッキにより加工側面に銅をメッキして、最終的に０．４ｍｍ厚の銅メッキ膜を形成した。その後、入力側の蛍光体と銅メッキの表面を合わせるためにラップおよびＣＭＰ研磨を行った。

次に、積層体を１００℃に加熱して熱可塑性樹脂を軟化させ、ハンドル基板２３および接合層２２を除去し。その後、出射面側の蛍光体素子表面をラップ、ＣＭＰ研磨を行い、放熱部材と蛍光体の面を合わせた。

その後、蛍光体素子の入射面には、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。ダイクロイック膜を成膜して励起光を透過し、蛍光のみ反射する膜を形成した。最後にダイシングにてチップ化切断し、図７に示す５ｍｍ角の蛍光体デバイス１８を製造した。

チップ化した蛍光体デバイスについて、出力３ＷのＧａＮ系青色レーザとこのレーザを１０個アレイ化した出力３Ｗおよび３０Ｗの光源を使用して照明光の評価を行った。素子の評価結果を表１に示す。
なお、放熱基板の対向面側の主面からの金属メッキ膜の成長方向と、入射面とがなす角度は９０°である。ただし、金属メッキ膜の成長方向は走査型電子顕微鏡によって観測することができる。

（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。

（輝度ムラ分布）
出力した光を大塚電子製高速ニアフィールド配光測定システムＲＨ５０にて輝度分布測定を行った。輝度分布がある場合には、色分布（あるいは、明暗）に変換して観測できる。
この輝度分布から輝度ピーク値Pmaxの1/e²となる輝度の面積領域Seと定義して、輝度ピーク（輝度分布の中心）となる点から0.5×Seの面積領域Seffにおいて、輝度Pmax×0.8以下となる部分が存在しない場合に、「輝度ムラ無し」とし、これよりも小さい輝度が存在する場合は、「輝度ムラ有り」とした。

（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。
これらの評価結果を表１に示す。

（実施例２）
実施例１で加工した蛍光体素子において、低屈折率層１０を側面４に成膜する前に、入射面と出射面をマスクしてイオンミリング、反応性イオンエッチングとウェットエッチングを組み合わせて側面外周部のエッチング処理を行った。

この結果、外周部の角が滑らかになり、図４に示すように、入射面の外周縁部の横断面が円弧に近い湾曲形状の蛍光体素子６を作製した。作製した蛍光体素子６の写真を図１０に示す。

その後、実施例１と同様にして蛍光体デバイスを製造した。
チップ化した蛍光体デバイスは、出力３ＷのＧａＮ系青色レーザとこのレーザを１０個アレイ化した出力３０Ｗの光源を使用して照明光の評価を行った。素子の評価結果を表２に示す。

（実施例３）
実施例１で加工した蛍光体素子において、実施例２と同様なプロセスでエッチング処理を行い、図１１に示す蛍光体素子３１を作製した。作製した蛍光体素子を図１２に示す。また、各傾斜角度の数値を表３に示す。なお、入射面側傾斜領域Ｇ１の厚さは０．１ｍｍであり、領域Ｌの厚さは０．１ｍｍであり、出射面側傾斜領域Ｇ２の厚さは０．２ｍｍである。

その後、実施例１と同様にして蛍光体デバイスを製造した。
チップ化した蛍光体デバイスは、出力３ＷのＧａＮ系青色レーザとこのレーザを１０個アレイ化した出力３０Ｗの光源を使用して照明光の評価を行った。素子の評価結果を表３に示す。

（参考例）
図６に示すような形状の蛍光体デバイスを作成した。蛍光体デバイスの製造手順は実施例１と同様とした。ただし、実施例１とは異なり、蛍光体の側面の垂直軸Ｐに対する傾斜角度θは一定とし、３５°とした。その後、実施例１と同様にして蛍光体デバイスを製造した。

チップ化した蛍光体素子は、出力３ＷのＧａＮ系青色レーザとこのレーザを１０個アレイ化した出力３０Ｗの光源を使用して照明光の評価を行った。素子の評価結果を表４に示す。

以上の結果から分かるように、本発明の実施例１、２、３によれば、蛍光体板に対して励起光を入射させて蛍光を発生させるのに際して、出射光の蛍光強度を高くし，出射する白色光の色ムラを抑制することができる。更に実施例２のように入射面の外周縁部に湾曲部を設けることにより、また実施例３のように複数の傾斜領域を設けることにより、出射する白色光の輝度ムラを抑制することができる。実施例３については、白色発光出力も向上した。

Claims

レーザ光の入射面、前記入射面に対向する出射面および側面を備えており、前記入射面に入射する前記レーザ光の少なくとも一部を蛍光に変換し、前記蛍光を前記出射面から出射させる蛍光体素子であって、
前記出射面の面積が前記入射面の面積よりも大きく、
前記出射面を二分する最長の分割線に沿って前記出射面に垂直な横断面で見たとき、前記出射面に対して垂直な垂直軸に対して前記側面がなす傾斜角度が、前記入射面から前記出射面に向かって単調増加する傾斜領域を備えており、前記横断面で見たときに前記傾斜領域が前記入射面から前記出射面まで前記側面の全長にわたって設けられており、
前記傾斜領域の前記入射面側の末端における前記傾斜角度と前記傾斜領域の前記出射面側の末端における前記傾斜角度との差が３°以上、４５°以下であることを特徴とする、蛍光体素子。
前記傾斜領域の前記入射面側の末端における前記傾斜角度が２０°以上、６２°以下であることを特徴とする、請求項１記載の蛍光体素子。
前記傾斜領域の前記出射面側の末端における前記傾斜角度が２３°以上、６５°以下であることを特徴とする、請求項１または２記載の蛍光体素子。
前記入射面の外周縁部に湾曲部が設けられ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蛍光体素子。
請求項１～４のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子、および
前記側面の少なくとも一部を被覆する反射膜
を備えていることを特徴とする、蛍光体デバイス。
前記側面と前記反射膜との間に存在する低屈折率層を備えていることを特徴とする、請求項５記載の蛍光体デバイス。
前記蛍光体素子の前記側面上に存在する放熱基板であって、熱伝導率が２００W／ｍＫ以上の金属からなる放熱基板を備えていることを特徴とする、請求項５または６記載の蛍光体デバイス。
レーザ光を発振する光源、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、前記レーザ光の入射面、前記入射面に対向する出射面および側面を備えており、前記入射面に入射する前記レーザ光の少なくとも一部を蛍光に変換し、前記蛍光を前記出射面から出射させる蛍光体素子であり、
前記出射面の面積が前記入射面の面積よりも大きく、
前記出射面を二分する最長の分割線に沿って前記出射面に垂直な横断面で見たとき、前記出射面に対して垂直な垂直軸に対して前記側面がなす傾斜角度が、前記入射面から前記出射面に向かって単調増加する傾斜領域を備えており、前記傾斜領域の前記入射面側の末端における前記傾斜角度と前記傾斜領域の前記出射面側の末端における前記傾斜角度との差が３°以上、４５°以下であることを特徴とする、照明装置。
前記側面の少なくとも一部を被覆する反射膜を備えていることを特徴とする、請求項８記載の照明装置。
前記側面と前記反射膜との間に存在する低屈折率層を備えていることを特徴とする、請求項９記載の照明装置。
前記蛍光体素子の前記側面上に存在する放熱基板であって、熱伝導率が２００W／ｍＫ以上の金属からなる放熱基板を備えていることを特徴とする、請求項８～１０のいずれか一つの請求項に記載の照明装置。
前記横断面で見たときに前記傾斜領域が前記入射面から前記出射面まで前記側面の全長にわたって設けられていることを特徴とする、請求項８～１１のいずれか一つの請求項に記載の照明装置。