JPWO2020044426A1 - 蛍光体素子および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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、継続使用時に、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。【解決手段】蛍光体素子１は、励起光の入射面２ａ、入射面に対向する対向面２ｂおよび側面２ｃを備えている蛍光体部２であって、入射面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蛍光体部２、および蛍光体部２の側面２ｃ上に設けられた放熱基板３であって、熱伝導率が２００W／ｍＫ以上の金属からなる金属メッキ膜からなる放熱基板３を備える。【選択図】 図２

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（ＷＯ２０１３−１７５７０６ Ａ１）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）。放熱部材は、銅、アルミニウムのような熱伝導率が高い金属からなる金属板であり、金属板に貫通孔を形成し、嵌合（はめあい）構造、ざぐり構造によって蛍光体を貫通孔に固定することが開示されている。

「異材界面における接触熱抵抗の評価」 福岡俊道、他、 日本機械学術論文集、A編、76(763), P344-350, 2010年3月

特許５６７９４３５ 特開２０１７−８５０３８ ＷＯ２０１３−１７５７０６ Ａ１

従来の照明用の蛍光体素子では、放熱性の高い材質からなる放熱基板を蛍光体板に対して接合一体化することによって、蛍光体板内に発生する熱を可能な限り放熱しようとするものである。

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、色ムラが発生することがあった。このため、継続使用時の出射光の蛍光強度を高く維持し、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、継続使用時に、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である。

本発明に係る蛍光体素子は、
励起光の入射面、前記入射面に対向する対向面および側面を備えている蛍光体部であって、前記入射面に入射する前記励起光の少なくとも一部を蛍光に変換し、前記蛍光を前記対向面または前記入射面から出射させる蛍光体部、および
前記蛍光体部の前記側面上に設けられた放熱基板であって、熱伝導率が２００W／ｍＫ以上の金属からなる金属メッキ膜からなる放熱基板
を備えてい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、および前記の蛍光体素子を備えることを特徴とする、照明装置に係るものである。

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、継続使用時の出射光の蛍光強度を高く維持し、色ムラを抑制することができる。

この点について更に述べる。特許文献３記載のような従来の蛍光体素子では、放熱部材に貫通孔を設け、蛍光体を貫通孔に嵌合しており、これによって、蛍光体の発光時に生じた熱を放熱部材へ逃がしている。しかし、実際には、継続使用時には、蛍光体から発光する蛍光強度が低下し、また色ムラが生じてくることがあった。

本発明者がこの原因を検討したところ、以下を見いだした。すなわち、放熱部材の穴あけやザグリは、ドリル加工、レーザ加工、ワイヤ放電加工によって設けることができる。ドリル加工やレーザ加工の場合、加工後の穴部内の表面は粗面となるために、フレックスホーン等の研削ブラシにて穴部材のバリを取り、ブラシの砥粒度を上げることにより仕上げを行い、表面粗さRaを小さくすることができる。また、ワイヤ放電加工は、ワイヤとワークの間にパルス高電圧を印加してアーク放電を発生させ、ワークを溶融することにより切り出し加工を行う方法である。穴部内の表面粗さRaを小さくするために複数回実施することができる。しかし、金属の放熱基板に貫通孔を設ける場合、貫通孔に面する内壁面の表面粗さRaは、１．５μｍ〜１０μｍ程度となる。

一方、蛍光体の材質は、直接接合して排熱するという観点ではセラミックスか単結晶が好ましい。セラミックスの場合、無機バインダーを混ぜて蛍光体を成形し焼結することで、任意の形状の蛍光体を製造することができる。また単結晶の場合、引き上げ法、等の方法により結晶成長させて製造することができる。その後、スライシング、べべリング加工を行うことによりウエハー形状にした後に、ウエハーをラップ、ＣＭＰ研磨してから、最後にダイシングカットすることにより小片化することができる。しかし、セラミックスや単結晶は硬度が高いので、切断後の蛍光体側面の表面粗さＲａは、実際上は１０μｍ程度となる。

このため、例えば図１（ｂ）に示すように、蛍光体５を放熱基板６の貫通孔６ａに嵌合したときには、確かに蛍光体５と放熱基板６を接触させ、機械的に固定することは可能であり、放熱も問題なくできるものと考えられていた。しかし、実際には、蛍光体５と放熱基板６とを接触させた場合には、両者の界面では、蛍光体５の表面５ａの微小突起と、放熱基板６の表面の微小突起６ａとがＥのように点接触し、両者の界面に沿って微細な空隙が発生しているものと思われる。この微細な空隙のために、両者の界面での熱の流れ（排熱）は、両者の表面粗さおよび微細な形態に大きく依存する。こうした界面の微細構造が、継続使用時の蛍光強度の低下や色ムラの原因となっているものと考え、更に検討を進めた。

参考として、非特許文献１は、異種材料の界面において表面粗さから接触熱伝達率をシミュレーションして、表面粗さが異材界面での排熱に大きく影響することを示している。これによると、異種材料の界面における表面粗さが大きくなると、接触熱伝達率がほぼリニアに低下し、接触熱抵抗が大きくなることによって熱の流れが悪くなる。
この場合、一方の表面粗さがある程度大きくなると、もう一方の表面粗さを小さくしても接触熱伝達率は大きくならない。

本発明者は、非特許文献１の（４）式を使用して、蛍光体と銅を異種材料として計算した。計算に必要なパラメータを表１の様に設定し、蛍光体の表面粗さＲａ１を１μｍ、３μｍ、６μｍ、１０μｍの場合の銅の表面粗さＲａ２に対する接触熱伝達率ｈｃの計算結果を図３１に示す。

この結果、蛍光体の表面粗さＲａ１を１０μｍとした場合、銅の表面粗さＲａ２が１８μｍでは接触熱伝達率は９５００W/mK²、１０μｍでは１２０００W/mK²、１．５μｍでは２００００W/mK²となる。この場合、銅の表面粗さを仮に１μｍ以下にできた場合にも最大で２４００００W/mK²程度までしか熱伝達効率が大きくならない。このことは、嵌合による接触は点接触であるために、片方の材料の表面粗さをどんなに小さくしても、もう片方の表面粗さの大きい材料で律速されて接触熱伝達率が上げられないことを示唆しており、蛍光体素子の継続使用時の蛍光強度低下や色ムラの発現と整合している。

この結果を踏まえ、本発明者は、放熱基板と蛍光体部との間の界面の状態を改善できる構造を模索してみた。この結果、金属メッキによって放熱部材を成形することで、図１（ｃ）に示すように、蛍光体２の側面２ｃの表面粗さが大きくても、側面２ｃの表面の凹凸に金属が入り込み、微視的に見て面接触で接する構造を実現できるために、接触熱伝達率を著しく改善できることを見いだした。この結果、蛍光体の継続使用時に蛍光体内で発生する熱を効率的に放熱基板から排熱し、蛍光体の温度消光による蛍光変換効率低下と色ムラを抑制できることを見いだし、本発明に到達した。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子を示す断面図であり、（ｂ）は、従来の蛍光体素子の微構造を模式的に示し、（ｃ）は、本発明の蛍光体素子の微構造を模式的に示す。 （ａ）は、本発明に係る蛍光体素子１の斜視図であり、（ｂ）は、蛍光体素子1の断面図である。 （ａ）は、本発明に係る蛍光体素子１１の斜視図であり、（ｂ）は、蛍光体素子１１の断面図である。 （ａ）は、本発明に係る蛍光体素子２１Ａの斜視図であり、（ｂ）は、蛍光体素子２１Ａの断面図である。 （ａ）は、本発明に係る蛍光体素子２１Ｂの斜視図であり、（ｂ）は、蛍光体素子２１Ｂの断面図である。 （ａ）は、本発明に係る蛍光体素子３１の斜視図であり、（ｂ）は、蛍光体素子３１の断面図である。 本発明に係る蛍光体素子３１Ａの断面図である。 （ａ）は、本発明に係る蛍光体素子３１Ｂの斜視図であり、（ｂ）は、蛍光体素子３１Ｂの断面図である。 （ａ）は、本発明に係る蛍光体素子３１Ｃの斜視図であり、（ｂ）は、蛍光体素子３１Ｃの断面図である。 （ａ）は、本発明に係る蛍光体素子３１Ｄの斜視図であり、（ｂ）は、蛍光体素子３１Ｄの断面図である。 （ａ）は、本発明に係る蛍光体素子３１Ｅの斜視図であり、（ｂ）は、蛍光体素子３１Ｅの断面図である。 （ａ）は、本発明に係る蛍光体素子３１Ｆの斜視図であり、（ｂ）は、蛍光体素子３１Ｆの断面図である。 （ａ）は、金属メッキ膜３６内に複数の蛍光体部３２を設けた状態を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の断面図である。 蛍光体板４１をハンドル基板４２に接合する前の状態を示す斜視図である。 蛍光体板４１とハンドル基板４２との接合体を示す斜視図である。 蛍光体板４１を加工して複数の蛍光体部３２を形成した状態を示す斜視図である。 接合層４３上に低屈折率層３４および反射膜３５を設けた状態を示す斜視図である。 金属メッキ膜４６を設けた状態を示す斜視図である。 金属メッキ膜を研磨加工した状態を示す斜視図である。 ハンドル基板を除去した状態を示す斜視図である。 ハンドル基板を除去した状態を対向面側から見た斜視図である。 対向面側を研磨加工した状態を示す斜視図である。 入射面側を更に研磨加工した状態を示す斜視図である。 図２３の積層体を切断する工程を示す斜視図である。 金属メッキ膜４７上に入射面側支持基板５０を接合する前の状態を示す。 金属メッキ膜４７に対して入射面側支持基板５０を接合した状態を示す。 ハンドル基板４２を除去した状態を示す。 積層体を対向側から見た状態を示す。 積層体を対向面側から研磨加工した状態を示す。 積層体の対向面側に対向面側支持基板５０Ａを接合する前の状態を示す。 蛍光体の表面粗さＲａと熱伝導効率との関係を示すシミュレーションである。

本発明の蛍光体素子は、励起光の入射面、入射面に対向する対向面および側面を備えている蛍光体部であって、蛍光体板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蛍光体部を有する。
ここで、励起光の全体を蛍光に変換した場合には、蛍光のみが対向面または入射面から出射する。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対向面または入射面から出射させることができる。

蛍光体部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、蛍光体部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）を蛍光体部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部中に設けられていてもよい。

蛍光体部は，励起光の入射面、対向面および側面を少なくとも有する。側面とは、入射面と対向面との間に伸びる面である。ここで、蛍光体部の形状は特に限定されない。例えば蛍光体部の入射面、対向面の形状は、例えば、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形などの多角形であってよい。

また、励起光を入射面から入射させた後、蛍光体部内で励起光の少なくとも一部が蛍光に変換される。ここで、蛍光および必要に応じて励起光を対向面から出射させることができる。あるいは、対向面上に反射膜を形成することで蛍光と励起光とを反射させ、入射面から励起光と蛍光とを出射させることができる。

蛍光体板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。

本発明では、蛍光体部の側面上に放熱基板が設けられており、放熱基板が、熱伝導率が２００W／ｍＫ以上の金属からなる金属メッキ膜からなる。ここで、蛍光体部の側面とは、入射面と対向面との間に伸びる面のことを意味する。

金属メッキ膜の種類は、電解メッキ膜であってよく、無電解メッキ膜であってもよい。また、金属メッキ膜は、熱伝導率（２５℃）が２００W／ｍＫ以上の金属からなる。この金属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、３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることができる。

蛍光体部の金属メッキ膜を構成する金属の種類は、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特に好ましい。

好適な実施形態においては、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、入射面とのなす角（あるいは放熱基板の入射面側の主面からの金属メッキ膜の成長方向と、入射面とのなす角）が６０〜１２０°であり、特に好ましくは７０〜１１０°であり、最も好ましくは８０〜１００°である。これによって金属メッキ膜と蛍光体部との接合界面における凹凸の充填状態が一層良好となり、継続使用時の発光品質が最良となる。

好適な実施形態においては、放熱基板の入射面側の主面上に入射面側支持基板を備えることができ、これによって放熱基板からの放熱効果を一層改善することができる。また、他の好適な実施形態においては、放熱基板の対向面側の主面上に対向面側支持基板を備えることができ、これによって放熱基板からの放熱効果を一層改善することができる。

ここで、各支持基板の材質としては、熱伝導率（２５℃）が２００W／ｍＫ以上の材質が好ましく、３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材質が特に好ましい。この材質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以下とすることができる。

ここで、各支持基板の材質は、光を通すために透明ないし透光性であることが好ましい。しかし、入射面側支持基板には、入射面に励起光を照射するための窓を設けることができ、この場合には入射面側支持基板の材質は透明ないし透光性である必要はない。一方、対向面から励起光および蛍光を出射させる場合には、対向面からの光を出射させるための窓を対向面側支持基板に設けることができ、この場合には対向面側支持基板の材質は透明ないし透光性である必要はない。

各支持基板の材質が透明または透光性である場合には、支持基板の材質はアルミナ、窒化アルミ、シリコンカーバイド、水晶、ガラス
が好ましい。

各支持基板の材質が透明、透光性ではない場合には、支持基板の材質はアルミナ、窒化アルミ、シリコンカーバイド、水晶、ガラス、銅、銀、金、アルミニウム、あるいは、上記金属を含む合金材料が好ましい。各支持基板の材質は、同じであっても異なっていてもよい。

蛍光体部と金属メッキ膜とは直接接触していてもよい。しかし、好適な実施形態においては、蛍光体部と金属メッキ膜との間に低屈折率層を備えている。また、好適な実施形態においては、蛍光体部と金属メッキ膜との間に反射膜を備えている。
これらの構造となった場合にも、金属メッキ膜は凹凸部へ充填状態は良くなるので放熱改善効果を得ることができる。

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、蛍光体層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_３、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。

好適な実施形態においては、蛍光体部の側面の入射面の法線に対する傾斜角度が５°以上、３０°以下（好ましくは２８°以下）であり、これによって蛍光体部からの出力を向上させることができる。

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。スーパールミネッセンスダイオード、半導体光アンプ（ＳＯＡ）やＬＥＤであってもよい。また、光ファイバーを通して光源からの励起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

以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に例示する。
図１（ａ）、図２に示す蛍光体素子１においては，蛍光体部２は、入射面２ａ、対向面２ｂおよび側面２ｃを有する。本例では、蛍光体部２は直方体形状であるので、平坦な側面２ｃが四つ設けられているが、側面の数および形状は特に限定されるものではない。

蛍光体部２は、金属メッキ膜からなる放熱基板３の貫通孔Ｈ内に設けられている。放熱基板３は、一対の主面３ａ、３ｂと、貫通孔に面する内壁面３ｃと、外周面３ｄとを有する。本例では、蛍光体部２の側面２ｃと放熱基板の内壁面３ｃとが直接接している。そして、蛍光体部２の入射面２ａに対して矢印Ａのように励起光を入射させ、励起光の一部を蛍光に変換する。そして、励起光と蛍光とが対向面２ｂから矢印Ｂのように出射する。あるいは、対向面２ｂに反射膜を設けることによって、励起光と蛍光とを反射し、入射面２ａから矢印Ｃのように出射させる。

金属メッキ膜の成長方向は、放熱基板３の主面３ｂから主面３ａに向う矢印Ｄの方向である。あるいは、金属メッキ膜の成長方向は、放熱基板３の主面３ａから主面３ｂに向う方向（矢印Ｄの反対方向）である。蛍光体部の側面からもメッキが成長する場合があるので、この場合には、側面から成長したメッキが、主面３ｂまたは３ａから成長したメッキと合成されながら主面３ａまたは３ｂへと向かうことになる。
好適な実施形態においては、放熱基板の対向面側主面からの金属メッキ膜の成長方向は矢印Ｄの方向である。そして、金属メッキ膜の成長方向である矢印Ｄの方向と、入射面２ａとがなす角度αは、６０〜１２０°であることが好ましい。あるいは、放熱基板の入射面側主面からの金属メッキ膜の成長方向は矢印Ｄの反対方向である。そして、金属メッキ膜の成長方向である矢印Ｄの反対方向と、入射面２ａとがなす角度αは、６０〜１２０°であることが好ましい。

図３に示す蛍光体素子１１においては，蛍光体部１２は、入射面１２ａ、対向面１２ｂ、側面１２ｃおよびフランジ部１２ｄを有する。また、放熱基板１３は、筒状部およびフランジ部を有しており、筒状部１３ａは、貫通孔に面する内壁面１３ｃと、外周面１３ｄとを有する。筒状部の末端にフランジ部１３ｅが設けられており、フランジ部１３ｅとフランジ部１２ｄとは積層されている。蛍光体部２の入射面１２ａに対して矢印Ａのように励起光を入射させ、励起光の一部を蛍光に変換する。そして、励起光と蛍光とが対向面１２ｂから矢印Ｂのように出射する。あるいは、対向面１２ｂに反射膜を設けることによって、励起光と蛍光とを反射し、入射面１２ａから矢印Ｃのように出射させる。１３ｂは放熱基板１３の対向面側端面である。
本例では、放熱基板にフランジ部１３ｅを設け、フランジ部を外部の放熱部材に接合することによって、放熱を一層促進することができる。

図４に示す蛍光体素子２１Ａにおいては、蛍光体部２は、図２に示す蛍光体部２と同じであり、放熱基板１３は、図３に示す放熱基板と同じである。しかし、本例では、放熱基板１３のフランジ部１３ｅおよび蛍光体部２の対向面２ｂを被覆するように、対向面側支持基板６が設けられている。支持基板６の一方の主面６ａはフランジ部１３ｅおよび対向面２ｂに接しており、支持基板６の他方の主面６ｂは雰囲気に面している。
本例では、放熱基板１３にフランジ部１３ｅを設けるとともに、フランジ部１３ｅに対して対向面側支持基板６を接合することで、より一層排熱を促進できる。

図５に示す蛍光体素子２１Ｂにおいては、蛍光体部２は、図２に示す蛍光体部２と同じであり、放熱基板３は、図２に示す放熱基板３と同じである。しかし、本例では、蛍光体部２の入射面２ａ上および放熱基板３の主面３ａを被覆するように、入射面側支持基板６が設けられている。支持基板６の一方の主面６ａは蛍光体部および放熱基板３に接しており、支持基板６の他方の主面６ｂは雰囲気に面している。
本例では、蛍光体部および放熱基板に対して入射面側支持基板６を積層することで、より一層排熱を促進できる。

図６に示す蛍光体素子３１においては，蛍光体部３２は、入射面３２ａ、対向面３２ｂおよび側面３２ｃを有する。ただし、本例では、蛍光の出射側取出し効率を向上させるために、蛍光体部３２の側面３２ｃの入射面３２ａの法線Ｔに対する傾斜角度βが５°以上、３０°以下である。この結果、蛍光体部３２の幅が、入射面３２ａから対向面３２ｂに向かって徐々に大きくなっている。
また、蛍光体部の厚みは、蛍光の出射側取出し効率を向上させるために、５００μｍ以上が好ましいが、８００μｍ以上が一層好ましい。しかし、小型化という観点から３．０ｍｍ以下とすることが好ましい。

蛍光体部３２は、金属メッキ膜からなる放熱基板３３の貫通部内に設けられている。放熱基板３３は、一対の主面３３ａ、３３ｂと、貫通部に面する内壁面３３ｃと、外周面３３ｄとを有する。本例では、蛍光体部３２の側面３２ｃと放熱基板の内壁面３３ｃとが直接接している。そして、蛍光体部３２の入射面３２ａに対して矢印Ａのように励起光を入射させ、励起光の一部を蛍光に変換する。そして、励起光と蛍光とが対向面３２ｂから矢印Ｂのように出射する。あるいは、対向面２ｂに反射膜を設けることによって、励起光と蛍光とを反射し、入射面３２ａから矢印Ｃのように出射させる。

放熱基板３の主面３ｂからの金属メッキ膜の成長方向は矢印Ｄの方向である。あるいは、放熱基板３の主面３ａからの金属メッキ膜の成長方向は矢印Ｄの反対方向である。そして、金属メッキ膜の成長方向と入射面がなす角度αは、６０〜１２０°であることが好ましい。

図７に示す蛍光体素子３１Ａにおいては、蛍光体部３２は図６の蛍光体部と同じであり、放熱基板３３は図６の放熱基板と同じである。ただし、蛍光体部３２の側面３２ｃ上には低屈折率層３４、反射膜３５が形成されており、反射膜３５が放熱基板３３に接している。反射膜３５と放熱基板３３の間には、メッキ用の下地膜があってもよい。下地膜は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、あるいは、これらの金属を含む合金であってよい。

図８に示す蛍光体素子３１Ｂにおいては、放熱基板１３は図３の放熱基板１３と同じであり、支持基板６は図３の支持基板６と同じである。ただし、蛍光体部３２の側面３２ｃ上、フランジ部１３ｅ上には低屈折率層３４、反射膜３５が形成されており、反射膜３５が放熱基板１３に接している。反射膜と放熱基板１３の間には、メッキ用の下地膜があってもよい。下地膜は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、あるいは、これらの金属を含む合金であってよい。

図９に示す蛍光体素子３１Ｃにおいては，蛍光体部３２Ａは、入射面３２ａ、対向面３２ｂ、側面３２ｃおよびフランジ部３２ｄを有する。また、放熱基板１３は、筒状部およびフランジ部を有しており、筒状部１３ａは、貫通部に面する内壁面１３ｃと、外周面１３ｄとを有する。筒状部の末端にフランジ部１３ｅが設けられており、フランジ部１３ｅとフランジ部３２ｄとは積層されている。更に、本例では、蛍光体部３２Ａの側面３２ｃの入射面３２ａの法線Ｔに対する傾斜角度βが５°以上、３０°以下である。この結果、蛍光体部３２Ａの幅が、入射面３２ａから対向面３２ｂに向かって徐々に大きくなっている。

図１0の蛍光体素子３１Ｄにおいては、蛍光体部３２は図７の蛍光体部３２と同じであり、放熱基板３３は図７の放熱基板３３と同じである。また、蛍光体部３２と放熱基板３３との間には低屈折率層３４および反射膜３５が形成されている。更に、放熱基板の主面および蛍光体部３２の入射面３２ａを被覆するように、支持基板６が積層されている。

図１１の蛍光体素子３１Ｅにおいては、蛍光体部３２は図７の蛍光体部３２と同じであり、放熱基板３３は図７の放熱基板３３と同じである。また、蛍光体部３２と放熱基板３３との間には低屈折率層３４および反射膜３５が形成されている。更に、放熱基板の主面上に入射面側支持基板１６が積層されている。入射面側支持基板１６の主面１６ａと１６ｂとの間には窓１６ｃが設けられており、窓１６ｃを通して矢印Ａのように励起光を入射させることができる。このように励起光を透過させる窓を支持基板に設ける場合には、支持基板の材質は透明または透光性材料である必要はない。

図１２の蛍光体素子３１Ｆにおいては、蛍光体部３２は図７の蛍光体部３２と同じであり、放熱基板３３は図７の放熱基板３３と同じである。また、蛍光体部３２と放熱基板３３との間には低屈折率層３４および反射膜３５が形成されている。更に、放熱基板の入射面側に入射面側支持基板１６Ａが積層されており、反対側に対向面側支持基板１６Ｂが接合されている。各支持基板１６Ａ、１６Ｂの主面１６ａと１６ｂとの間には窓１６ｃが設けられており、窓１６ｃを通して矢印Ａのように励起光を入射させることができ，あるいは矢印Ｂのように励起光および蛍光を出射させることができる。このように窓を支持基板に設ける場合には、支持基板の材質は透明または透光性材料である必要はない。

本発明の蛍光体素子は、金属メッキ法を利用することで、一つのウエハー中に多数同時に成形することができるので、量産性を向上させることが可能である。以下、こうした製造方法を例示する。

図１３（ａ）、図１３（ｂ）に示すように金属メッキ膜３６中に、蛍光体部３２を多数形成する。本例では、蛍光体部３２と金属メッキ膜３６との間に、低屈折率層３４および反射膜３５が設けられている。次いで、各蛍光体部３２を、隣接する蛍光体部から切り離すことで、図７に示す蛍光体素子が得られる。
また、素子として切り離すことはせず、そのまま使用することもできる。こうして使用する場合は、アレイ状の照明装置に応用することができる。

具体的な製法例について述べる。図１４に示すように、ハンドル基板４２上に接合層４３を形成し、蛍光体板４１と対向させる。次いで、図１５に示すように、ハンドル基板４２上に蛍光体板４１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部を成形することができる。例えば、図１６の例では、接合層４３上に、所望形状を有する蛍光体部３２を成形している。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。

次いで、好適な実施形態においては、図１７に示すように、蛍光体部３２上および接合層４３上に、低屈折率層３４および反射膜３５を順次形成する。次いで、図１８に示すように、反射膜３５上に全面にわたって金属メッキ膜４６を形成する。次いで、金属メッキ膜４６を研磨加工して薄くすることで、図１９に示すように金属メッキ膜４７の表面側に蛍光体部３２、低屈折率層３４、反射膜３５を露出させる。

次いで、ハンドル基板および接合層を除去することによって、図２０に示す積層体を得ることができる。次いで、図２０の積層体を裏返すと、図２１に示すように、低屈折率層３４の中に蛍光体部３２が露出した形態となっている。この状態で積層体を研磨加工することで、図２２に示すように、積層体の対向面側に低屈折率層３４および反射膜３５を露出させる。次いで、図２２に示す余分の金属酸化物および反射膜を加工によって除去し、図２３に示すような積層体を得る。次いで、図２４に示すように、法線Ｔに沿って積層体を切断することによって、所望の蛍光体素子を得ることができる。

一方、蛍光体素子に入射面側支持基板および対向面側支持基板を設ける製法についても述べる。例えば、図１９に示すような積層体を得た後、図２５に示すように、入射面側支持基板５０を対向させる。５１は窓であり、それぞれ蛍光体部３２に対応する位置にある。次いで、図２６に示すように、金属メッキ膜４７と支持基板とを接合する。 次いで、ハンドル基板および接合層を除去することによって、図２７に示す積層体を得ることができる。

次いで、図２７の積層体を裏返すと、図２８に示すように、反射膜３５中に蛍光体部３２が露出した形態となっている。この状態で積層体を研磨加工することで、図２９に示すように、積層体の対向面側に低屈折率層３４および反射膜３５を露出させる。次いで、図３０に示すように、対向面側支持基板５０Ａを金属メッキ膜４７上に積層し、積層体を得る。この積層体を所定の切断線に沿って切断することによって、所望の蛍光体素子を得ることができる。

また、金属メッキ膜からなる放熱基板の厚さは、放熱性の観点から３００μｍ以上が好ましいが、１．０ｍｍ以上が一層好ましい。しかし、小型化という観点から３．０ｍｍ以下とすることが好ましい。

図１０に示す蛍光体素子３１Ｄを製造した。
具体的には、図１４に示すように、厚み１ｍｍ、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４１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）４２とを用意した。熱可塑性樹脂を用いて両者を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（図１５）。

次に、幅１００μｍ、＃８００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、断面形状が入力部幅Ｗ ２ｍｍ、厚み方向の傾斜角β＝２６°の台形形状の蛍光体部を形成した。次いで、同様に積層体を平面的に見て９０度回転させ、再びダイシングによるセットバック加工を行い、断面が台形形状になる加工を行った。このときに蛍光体部３２の台形加工面の表面粗さは１０μｍと見積もられた（図１６）。

次いで、蛍光体部３２の台形加工した傾斜面に対して、スパッタリングにてＡｌ_２Ｏ_３からなる低屈折率の低屈折率層３４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Ａｌの合金膜からなる反射膜３５を台形側面に０．５μｍの厚みが形成されるように成膜した（図１７）。

次いで、銅メッキをするための下地として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台形側面に銅をメッキして、最終的に１ｍｍ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（図１９）。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４２をおよび接合層を除去した（図２０）。その後、対向面側の蛍光体表面をラップ、ＣＭＰ研磨を行い放熱部材と蛍光体の面を合わせた（図２１、図２２）。

次いで、蛍光体部の入射面には、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、５ｍｍ各の蛍光体素子を製造した。

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２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Ｄと、入射面とがなす角度α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。

（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。

（比較例）
図１０に示すような形状の蛍光体素子を作成した。ただし、金属メッキ膜によって放熱基板を形成していない。

具体的には、実施例１と同様にして、図１７に示すような積層体を得た。
一方、寸法５ｍｍ角、１ｍｍ厚の銅板を用意し、蛍光体部を挿入するための台形形状の貫通穴をワイヤー放電加工にて形成した。放電加工を５回実施することによって、貫通孔に面する内壁面の表面粗さを可能な限り小さくした。最終的には、貫通穴内壁の表面粗さは１．５μｍであった。

上記のように作製した積層体の各蛍光体部を、放熱部材に設けた各貫通穴に嵌合させて固定化した。固定後に入力側、出力側の蛍光体と放熱部材の面を合わせるためにラップ、ＣＭＰ研磨を行った。その後、入射側端面には実施例と同様にダイクロイック膜を形成した。

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３に示す。
なお、放熱基板は金属メッキ膜ではないので、成長方向は観察できなかった。

以上のように、本発明によれば、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、継続使用時に、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。

蛍光体単結晶としては、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｂａ_５Ｓｉ_１１Ａｌ _７Ｎ_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。

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 、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。

Claims (9)

1. 励起光の入射面、前記入射面に対向する対向面および側面を備えている蛍光体部であって、前記入射面に入射する前記励起光の少なくとも一部を蛍光に変換し、前記蛍光を前記対向面または前記入射面から出射させる蛍光体部、および
   前記蛍光体部の前記側面上に直接的あるいは間接的に設けられた放熱基板であって、熱伝導率が２００W／ｍＫ以上の金属からなる金属メッキ膜から構成される放熱基板
   を備えていることを特徴とする、蛍光体素子。
2. 前記放熱基板が前記入射面側の主面と前記対向面側の主面とを有しており、前記放熱基板の前記対向面側の主面または前記入射面側の主面からの前記金属メッキ膜の成長方向と、前記入射面とのなす角が６０〜１２０°であることを特徴とする、請求項１記載の蛍光体素子。
3. 前記放熱基板の前記入射面側の主面上に入射面側支持基板を備えてい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。
4. 前記放熱基板の前記対向面側の主面上に対向面支持基板を備え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。
5. 前記蛍光体部と前記金属メッキ膜との間に低屈折率層を備え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蛍光体素子。
6. 前記蛍光体部と前記金属メッキ膜との間に反射膜を備え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蛍光体素子。
7. 前記入射面の法線に対する前記蛍光体部の前記側面の傾斜角度が５°以上、３０°以下であ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蛍光体素子。
8. 複数の前記蛍光体部を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子。
9. レーザ光を発振する光源、および請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子を備えることを特徴とする、照明装置。

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