WO2019043772A1 - 蛍光体素子および照明装置 - Google Patents

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WO2019043772A1
WO2019043772A1 PCT/JP2017/030842 JP2017030842W WO2019043772A1 WO 2019043772 A1 WO2019043772 A1 WO 2019043772A1 JP 2017030842 W JP2017030842 W JP 2017030842W WO 2019043772 A1 WO2019043772 A1 WO 2019043772A1
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optical waveguide
face
light
phosphor
fluorescence
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PCT/JP2017/030842
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English (en)
French (fr)
Inventor
近藤　順悟
大和田　巌
Original Assignee
日本碍子株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating

Definitions

  • the present invention relates to a phosphor element and a lighting device that emits white light.
  • a white light source in which a blue laser or an ultraviolet laser and a phosphor are combined.
  • the light density of the excitation light can be increased, and by overlapping and condensing a plurality of laser lights on the phosphor, the light intensity of the excitation light can also be increased.
  • a white light source in which a semiconductor laser and a phosphor are combined is attracting attention as a light source to replace LEDs.
  • phosphor glass used for headlights for automobiles includes phosphor glass "Lumifas" of Nippon Electric Glass Co., Ltd., National Research and Development Corporation, Substances and Materials Research Organization and Tamura Corporation, YAG single crystal fluorescence of light wave, Inc. The body is considered.
  • Non-Patent Document 1 the structure shown in Non-Patent Document 1 is disclosed by SORAA Corporation of the United States. This laser directly reflects the light from the excitation laser from the obliquely upper side of the phosphor to form a reflection film on the opposite surface of the phosphor, thereby reflecting the excitation light and the fluorescence and taking it out as white light. ing.
  • the white laser is expected to be applied as a special light source or a light source for optical communication because it can integrate the excitation laser and the phosphor, reduce the size, and obtain illumination light with high directivity.
  • Patent Document 1 describes a white light emitting apparatus using a fluorescent fiber.
  • excitation light is made incident on an optical fiber made of a fluorescent substance, and white light is emitted from the side peripheral surface of the optical fiber.
  • Patent Document 2 the outer peripheral surface of an optical fiber made of a fluorescent substance is covered with a metal film, excitation light is made incident on the optical fiber, and white light is emitted from the end face on the emission side of the optical fiber.
  • Non-Patent Document 1 the efficiency of taking out the fluorescence is poor, and since the excitation light leaks from the side direction of the phosphor, an absorber for Beam Dump is required, and the excitation laser light is also lost. I understand.
  • Patent Document 1 In the structure described in Patent Document 1, it is difficult to obtain white light with high intensity and directivity, and since fluorescence and excitation light are emitted from various places on the outer peripheral surface, color unevenness of white light is observed.
  • the object of the present invention is to improve the light extraction efficiency of white light from the optical waveguide and prevent color unevenness of the obtained white light in a phosphor element that emits excitation light by causing excitation light to enter the optical waveguide. It is to be.
  • the phosphor element according to the present invention is
  • the optical waveguide is made of a fluorescent material that propagates the excitation light and generates fluorescence, wherein the optical waveguide is an emitting side end face for emitting the excitation light and the fluorescence, and an opposing end face opposite to the emitting side end face And an optical waveguide having an outer circumferential surface, A cladding layer covering the outer peripheral surface of the optical waveguide; and a reflective film covering the cladding layer,
  • the area of the emitting side end face is larger than the area of the opposing end face, and the outer peripheral surface of the optical waveguide includes an inclined portion which is inclined at 2 ° or more and 13 ° or less with respect to the central axis of the optical waveguide. It is characterized by
  • an illumination device comprising a light source for emitting excitation light and a phosphor element,
  • the phosphor element is the phosphor element, and white light is emitted from the end face on the light emission side of the optical waveguide.
  • the fluorescence reflected at the boundary with the cladding layer can not only be propagated to the end face on the emission side, but the cladding layer can not satisfy the total reflection condition of the optical waveguide.
  • the fluorescence incident on the inside is also reflected by each of the reflection films provided on the outer peripheral surface of the optical waveguide and reenters the optical waveguide.
  • the area of the end face on the emission side of the optical waveguide is made relatively large, and the outer peripheral surface of the optical waveguide (the interface with the cladding layer) is inclined by 2 to 13 ° with respect to the central axis. It has been found that the color unevenness of emitted white light can also be suppressed at the same time as the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing planar dimensions of a phosphor element 1; It is a schematic diagram which shows the planar dimension of the fluorescent substance 11 which concerns on other embodiment. It is a schematic cross section which shows the dimension of the thickness direction of the fluorescent substance 1 which concerns on embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows the propagation state of the light in the fluorescent substance element 21 which concerns on a comparative example.
  • FIG. 2 is a schematic view showing planar dimensions of a phosphor element 1; It is a schematic diagram which shows the planar dimension of the fluorescent substance 11 which concerns on other embodiment. It is a schematic cross section which shows the dimension of the thickness direction of the fluorescent substance 1 which concerns on embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows the propagation state of the light in the fluorescent substance element 21 which concerns on a comparative example.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a propagation state of light in the phosphor element 1;
  • A is a perspective view which shows typically the fluorescent substance 31 which concerns on embodiment of this invention,
  • (b) is a front view which shows the output side end surface 32f,
  • (c) is the opposing end surface 32e. It is a front view showing.
  • 5 is a schematic view showing a cross section of a phosphor element 41.
  • FIG. FIG. 6 is a schematic view showing the propagation of light in the cross section of the phosphor element 41.
  • the optical waveguide 2 has a rectangular cross-section, and is elongated.
  • the outer peripheral surface extends between the emitting side end face 2f and the opposing end face 2e of the optical waveguide 2, and the outer peripheral face has an elongated bottom face 2a, a top face 2b opposite to the bottom face 2a, and a pair of side faces 2c, 2d.
  • the cladding layer 3 covers the outer peripheral surface of the optical waveguide 2, and the reflection film 4 covers the cladding layer 3.
  • the cladding layer 3 includes a bottom side cladding layer 3a covering the bottom surface 2a of the optical waveguide 2, an upper surface side cladding layer 3b covering the upper surface 2b, and side side cladding layers 3c and 3d covering the side surfaces 2c and 2d. .
  • the reflection film 4 is formed by the bottom side reflection film 4a on the bottom side cladding layer 3a, the top surface side reflection film 4b on the top surface side cladding layer 3b, and the side surface reflection films 4c and 4d on the side cladding layers 3c and 3d. Is equipped.
  • a passivation film may be formed on the reflective film in order to prevent the deterioration of the reflective film. An oxide film can be illustrated as a passivation film.
  • the area AO of the emitting side end face 2f is made larger than the area AI of the opposing end face 2e.
  • the excitation light may be made incident from the facing end face 2e, or may be made incident from the emitting side end face 2f and totally reflected by the reflection film on the facing end face 2e.
  • the fluorescence reflected at the boundary between the optical waveguide 2 and the cladding layer can not only be propagated to the end face on the emission side, but also the total reflection condition of the optical waveguide Of the fluorescent light which is not satisfied in the cladding layer is also reflected by the respective reflecting films provided on the bottom surface, the upper surface and the side surfaces and re-incidents in the optical waveguide. It can be increased.
  • FIG. 5 relates to this form.
  • the width W of the optical waveguide 12 is constant, and the thickness is also constant. Further, the area of the light emitting side end face 12 f of the optical waveguide 12 and the area of the opposing end face 12 e are the same. In this case, when the excitation light A propagates in the optical waveguide 12 and strikes the phosphor particle 16, fluorescence is emitted from the phosphor particle 16. At this time, the fluorescence is uniformly emitted from the phosphor 16 in all directions.
  • the fluorescence F emitted from the phosphor 16 to the emission side end face 12 f reaches the interface with the cladding layer at the incident angle ⁇ p.
  • the refractive index np of the optical waveguide, the refractive index nc of the cladding layer, and the incident angle ⁇ p satisfy the total reflection condition, the fluorescence is reflected at the interface and propagates through the optical waveguide, and from the output end face 12f I will emit.
  • the incident angle ⁇ p of the fluorescence does not satisfy the total reflection condition, the light is refracted as shown by arrow G, reflected by the reflecting films 4c and 4d, and reflected as shown by arrow H.
  • the light propagating while repeating such reflection is not a part of the optical waveguide propagation, but a part is attenuated by the absorption of the reflection film or the absorption of the phosphor in the fluorescent body, and a part reaches the emitting side end face 12 f.
  • this light since this light has no directivity and radiates from the output end, there is also a fluorescence component of a component that can not be mixed with the excitation light propagating through the optical waveguide, so the extraction efficiency of white light can not be greatly improved.
  • each reflective film is in direct contact with the phosphor without providing a cladding layer
  • both excitation light and fluorescence propagate while reflecting on the reflective film without propagating through the optical waveguide. Since part of the light and the fluorescence is attenuated in the fluorescent body, and both of the light reaching the emission side end face 12f have no directivity and are emitted from the end face, it is difficult to extract white light in the front direction, and the extraction efficiency is improved Is difficult.
  • the fluorescence C generated from the phosphor 16 in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide is reflected by the reflective film as shown by the arrow D, and the reflection is repeatedly repeated in the optical waveguide and finally attenuated.
  • the fluorescence E generated from the phosphor 16 to the opposing end face 12e side repeats the same reflection as described above, and finally reaches the opposing end face.
  • the width W of the upper surface of the optical waveguide 2 gradually increases from the facing end face 2e (WI) to the light emitting side end face 2f (WO).
  • ⁇ is an angle between the central axis K of the optical waveguide 2 and the side surface 6 c and the side surface 6 d.
  • the angle ⁇ is constant and in the range of 2 to 13 °.
  • (theta) is constant, it does not need to be constant and may be changing between the output side end surface and the opposing end surface.
  • the width W smoothly and continuously increases from the facing end face to the exit side end face.
  • the phosphor particles 16 emit fluorescence.
  • the fluorescent light emits uniformly from the phosphor in all directions.
  • the fluorescence F emitted from the phosphor 16 toward the end face on the emission side reaches the interface with the cladding layer at the incident angle ⁇ p.
  • the refractive index np of the optical waveguide, the refractive index nc of the cladding layer, and the incident angle ⁇ p satisfy the total reflection condition, the fluorescence is reflected at the interface to propagate the optical waveguide.
  • the incident angle ⁇ p of the fluorescence F is larger by ⁇ than in the example of FIG. 5, and total reflection is made at the interface with the cladding layer. It becomes easy to do. For this reason, the fluorescence F which did not satisfy the total reflection condition in the example of FIG. 5 comes to be totally reflected at the interface with the cladding layer, and the optical waveguide is propagated and absorption by the reflection film does not occur, so the emitted light quantity increases further Do.
  • the incident angle ⁇ p of the fluorescence does not satisfy the total reflection condition
  • the fluorescence C generated in the direction perpendicular to the central axis K of the optical waveguide from the phosphor 16 similarly enters the cladding layer.
  • the angle is ⁇
  • the total reflection angle can not be satisfied at this time.
  • the fluorescent light C is reflected by the reflective film 4d, but the incident angle to the interface between the opposite side surface 2c and the cladding layer 3c is further increased by ⁇ , so that these reflections are repeated.
  • the total reflection condition can be satisfied at the interface between the phosphor and the cladding layer, and finally the optical waveguide propagates.
  • the light When the light enters the side surface 2d of the optical waveguide at a right angle, the light is reflected by the reflection film 4d, but the angle of incidence to the interface of the side surface 6c becomes larger by ⁇ , so it travels toward the emission end face side As reflection is repeated by the film 4c and the reflection film 4d, the incident angle ⁇ p is increased, and the total reflection condition can be satisfied at the interface between the phosphor and the cladding layer, and the optical waveguide is propagated.
  • the fluorescence proceeds to either the emitting side end face side or the opposing end face side to repeat reflection and is attenuated in the fluorescent substance Can be eliminated.
  • the direction changes to the emission side end face by the angle ⁇ every time it is reflected by the reflection film, so while multiple reflection is repeated, the emission side end face side
  • the propagation direction changes, and finally the optical waveguide propagates and is emitted from the end face on the emission side.
  • the fluorescence that has reached the opposite end face is reflected by the fluorescent reflection film provided on the opposite end face, and this light can also be finally propagated through the optical waveguide and emitted from the exit side end face.
  • the width W of the optical waveguide 2 is WI at the facing end face 2e and is WO at the emission side end face 2f. And, the width W increases from WI to WO.
  • the angle ⁇ between the central axis of the optical waveguide and the side surface 2d is 2 to 13 °.
  • the side surface 2c is parallel to the optical axis of the excitation light, and the side surface 2d is inclined at 2 ⁇ with respect to the optical axis of the excitation light.
  • the thickness of the optical waveguide is increased from the facing end face to the exit side end face.
  • the thickness T of the optical waveguide 2 is TI at the facing end face 2e and TO at the emission side end face 2f.
  • thickness T is large toward TI from TI.
  • ⁇ is an inclination angle between the central axis K of the optical waveguide 2 and the bottom surface 2 a and the top surface 2 b.
  • the inclination angle ⁇ is constant and is 2 to 13 °.
  • ⁇ is preferably constant, it does not have to be constant, and may be changed between the emission side end face and the opposing end face.
  • the thickness T increases smoothly and continuously from the facing end face to the exit side end face.
  • the width W and the thickness T both continuously increase from the opposing end face toward the output side end face it is possible to transmit optical waveguide propagation light to fluorescence in all directions generated in the fluorescent substance. It can be converted and emitted to the end face on the emission side with high efficiency, and it becomes possible to take out white light with high efficiency by mixing with the excitation light propagating through the optical waveguide as well.
  • the cross-sectional shape of the optical waveguide is quadrilateral.
  • the cross-sectional shape of the optical waveguide is not limited to a quadrilateral, and may be a polygon such as a circle, an ellipse, or a hexagon.
  • an optical waveguide 32 having a circular cross section is provided.
  • the optical waveguide 32 has an emitting side end face 32f shown in FIG. 7B, an opposing end face 32e shown in FIG. 7C, and an outer peripheral surface 32a between the emitting side end face and the opposing end face.
  • a cladding layer 33 is provided on the outer peripheral surface 32 a of the optical waveguide 32, and a reflective film 34 is provided on the cladding layer 33.
  • the diameter DO of the emitting side end face 32f is larger than the diameter DI of the opposing end face 32e, and the outer peripheral face 32a forms an inclined face inclined at an angle of 2 to 13 ° with respect to the central axis.
  • the width of the light guide varies from the top to the bottom.
  • the light guide 42 has a trapezoidal cross section, and is elongated.
  • An outer peripheral surface extends between the emitting side end face 42f and the opposing end face 42e of the optical waveguide 42, and the outer peripheral face has an elongated bottom surface 42a, an upper surface 42b opposite to the bottom surface 42a, and a pair of side surfaces 42c and 42d.
  • the cladding layer 3 covers the outer peripheral surface of the optical waveguide 42, and the reflection film 4 covers the cladding layer 3.
  • the width of the optical waveguide 42 gradually increases from the width at the top surface to the width at the bottom surface.
  • ⁇ is an inclination angle of the side surface 42 c (42 d) with respect to the bottom surface 42 a of the optical waveguide 42.
  • the width and the thickness of the optical waveguide when at least one of the width and the thickness of the optical waveguide is changed between the emission end surface and the opposite end surface as described above, emission of fluorescence to the emission end surface is promoted.
  • the fluorescence reflected on the side can change the direction of the reflected light to the light reflected on the top and bottom side. From this fact, by combining with the structure having a changed thickness, all the fluorescence generated in the fluorescent substance can be efficiently emitted as the optical waveguide propagation light to the end face on the emission side, and the excitation light similarly propagating the optical waveguide It becomes possible to mix and take out white light efficiently.
  • the optical waveguide width at the bottom surface is made larger than the optical waveguide width at the top surface, but the optical waveguide width at the bottom surface can be made smaller than the optical waveguide width at the top surface. From this point of view, it may be a triangular shape in which either optical waveguide width is made zero. In addition, it is preferable to change the optical waveguide width smoothly, but it may be changed stepwise.
  • a reflecting portion that reflects fluorescence is provided on the opposite end face.
  • the reflection unit that reflects the fluorescence may reflect the excitation light or may transmit the excitation light.
  • the opposite end surface may be an incident surface for incidence of excitation light.
  • a film which is totally reflected to fluorescence and not reflected to excitation light is formed on the opposite end face side.
  • the emission side end face may be an incident surface for entering the excitation light.
  • a reflection film that totally reflects the excitation light is provided on the opposite end face side.
  • the waveguide type phosphor element of the present invention may be a non-grating type phosphor element which does not include a grating (diffraction grating) in the optical waveguide, or may be a grating element.
  • the outer peripheral surface of the optical waveguide includes the inclined portion which is inclined at 2 ° or more and 13 ° or less with respect to the central axis of the optical waveguide.
  • the inclination angle By setting the inclination angle to 2 ° or more, it is possible to increase the light intensity oscillated from the end face on the emission side. From this viewpoint, it is more preferable to set the inclination angle to 4 ° or more.
  • the inclination angle exceeds 13 °, the color unevenness of the white light emitted from the end face on the emission side becomes large, so 13 ° or less is preferable, and 10 ° or less is more preferable.
  • the area of the inclined portion preferably occupies 30% or more of the area of the outer peripheral surface of the optical waveguide, more preferably 50% or more, and may occupy 100%.
  • the width W and the diameter of the optical waveguide are preferably 20 ⁇ m or more, and more preferably 50 ⁇ m or more, from the viewpoint of efficiently coupling the excitation light and increasing the emitted light amount.
  • W is preferably 900 ⁇ m or less, more preferably 500 ⁇ m or less, and still more preferably 300 ⁇ m or less.
  • the ratio (AO / AI) of the area AO of the emission side end face to the area AI of the opposing end face is preferably 1.2 or more, more preferably 1.4 or more.
  • AO / AI is preferably 20 or less, more preferably 5.5 or less.
  • the thickness T of the optical waveguide is preferably 20 ⁇ m or more, and more preferably 50 ⁇ m or more, from the viewpoint of efficiently coupling the excitation light and increasing the emitted light amount.
  • T is preferably 900 ⁇ m or less, and from the viewpoint of reducing the influence of scattering due to surface roughness on the side surface when forming the optical waveguide, 200 ⁇ m or less is preferable and 150 ⁇ m or less More preferable.
  • the inclination angle ⁇ (see FIGS. 8 and 9) of each side surface with respect to the normal line M to the bottom surface of the optical waveguide is preferably 10 ° or more, more preferably 15 ° or more, from the viewpoint of increasing the amount of emitted light. Moreover, 50 degrees or less are preferable and, as for (beta), 35 degrees or less are still more preferable.
  • the length L of the optical waveguide (the distance between the end face on the emission side and the opposing end face) L (see FIG. 2) is not particularly limited, but generally it is necessary to repeat reflection until the optical waveguide propagates the fluorescence. Preferably, it can be 2 mm or less in order to reduce the loss accompanying propagation.
  • the material of the reflective film may be a metal film of gold, aluminum, copper, silver or the like, a mixed crystal film containing these metal components, or a dielectric multilayer film.
  • a metal film is used as the reflective film, a metal layer of Cr, Ni, Ti or the like can be formed as a buffer layer of the metal film in order to prevent the cladding layer from peeling off.
  • the material of the cladding layer may be a material having a smaller refractive index than the phosphor.
  • the refractive index difference between the cladding layer and the phosphor is preferably 0.05 or more.
  • the material of such a cladding layer is preferably SiO 2 , Al 2 O 3 , MgF 2 , CaF 2 , MgO or the like.
  • a buffer layer can be provided between the cladding layer and the reflective film.
  • the material of the bonding layer is not particularly limited, but aluminum oxide, tantalum oxide and titanium oxide are preferable. However, the thermal conductivity is preferably larger than that of the phosphor, and from such a viewpoint, aluminum oxide is most preferable.
  • the phosphor may be phosphor glass, single crystal or polycrystal.
  • rare earth element ions are dispersed in a base glass.
  • oxide glass including silica, boron oxide, calcium oxide, lanthanum oxide, barium oxide, zinc oxide, phosphorus oxide, aluminum fluoride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, barium chloride
  • YAG yttrium aluminum garnet
  • the rare earth element ions dispersed in the glass are preferably Tb, Eu, Ce, Nd, but may be La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, Lu.
  • Y 3 Al 5 O 12 as the phosphor monocrystal, Ba 5 Si 11 A l7 N 25, Tb 3 Al 5 O 12 is preferred.
  • rare earth element ions such as Tb, Eu, Ce, Nd and the like are used.
  • the phosphor is preferably a single crystal from the viewpoint of suppressing the thermal deterioration, but even if it is a polycrystal, if it is a dense body, the thermal resistance at the grain boundary can be lowered, and the translucency can be increased. Can function as an optical waveguide.
  • a semiconductor laser made of a GaN material having high reliability for excitation of a phosphor for illumination is preferable.
  • a light source such as a laser array arranged in a one-dimensional shape can be realized. It may be a super luminescent diode or a semiconductor optical amplifier (SOA).
  • the method of generating white light from the semiconductor laser and the phosphor is not particularly limited, but the following methods can be considered.
  • Method of generating yellow fluorescence by blue laser and phosphor to obtain white light Method of generating red and green fluorescence by blue laser and phosphor to obtain white light
  • red, blue by phosphor from blue laser or ultraviolet laser Method of generating green fluorescence and obtaining white light
  • Examples A1 to A3 and Comparative Examples A1 to A3) A phosphor element 1 having a form as shown in FIGS. 1 and 2 was produced.
  • An aluminum alloy was deposited to 1 ⁇ m.
  • the above-mentioned phosphor substrate was bonded to a 2-inch sapphire substrate with a thermoplastic resin (wax) using the aluminum alloy film as a bonding surface.
  • the bonded body after bonding was cut so that the phosphor portion had a width of 15 mm and a length of 2 mm.
  • groove processing was performed with a blade # 200 with a width of 200 ⁇ m using a dicing apparatus to form inclined portions 2c and 2d in the horizontal direction.
  • the inclination angles ⁇ of the inclined portions 2c and 2d were changed to 0 °, 2 °, 5 °, 10 °, 13 °, 15 ° and 20 °, respectively.
  • the thickness of the light guide made of phosphor is constant between the end face on the light emission side and the opposite end face.
  • end face polishing of about 50 ⁇ m was performed on the input side and the output side of the optical waveguide.
  • a dichroic film which is non-reflecting in the 450 nm band as excitation light and totally reflected in the 560 nm band as fluorescence was formed by an IBS (Ion-beam sputter coater) film forming apparatus.
  • IBS Ion-beam sputter coater
  • the laser beam of wavelength 450nm was irradiated, and the brightness and color nonuniformity of the output light radiate
  • the average power represents the time average of total luminous flux.
  • the total luminous flux measurement is carried out by using an integrating sphere (spherical luminous flux meter), lighting the measured light source and the standard light source for which the total luminous flux is priced at the same position, and comparing them. In detail, it measured using the method prescribed
  • the brightness of the output light was remarkably improved by setting the inclination angle to 2 ° or more.
  • the inclination angle exceeds 13 °, color unevenness occurs in the output light.
  • this output light was observed, it was white light without color unevenness in the central part, but the outer peripheral part has a pattern in which only fluorescence exists, and this phenomenon becomes noticeable when the angle is increased.
  • the incident side end face has a shape of a size including a spot shape of the laser light and a sufficient positioning tolerance at the mounting, so that it is inexpensive and highly efficient white A laser can be realized, and when using, for example, a 4 W class laser, highly directional white laser light of 450 lm or more can be obtained.
  • Examples B1 to B3 A phosphor element was produced in the same manner as in Example 1. However, unlike Example 1, as shown in FIG. 4, the side surface 2 a of the optical waveguide 2 was inclined by an angle ⁇ in the thickness direction. Then, fluorescence was generated in the same manner as in Example 1, and the brightness of the emitted light and the color unevenness were measured. The results are shown in Table 2.
  • Examples C1 to C7 A phosphor element was produced in the same manner as in Examples A1 to A3. However, unlike the embodiments A1 to A3, as shown in FIGS. 8 and 9, each side surface of the optical waveguide 42 is inclined at an angle ⁇ with respect to the normal line M of the bottom surface. Then, fluorescence was generated in the same manner as in Example 1, and the brightness of the emitted light and the color unevenness were measured. The results are shown in Table 3.
  • the end face of the substrate on the input side and the output side is polished by about 50 ⁇ m, and the end face on the incident side is not reflected or fluorescent in the 450 nm band that is excitation light with an IBS (Ion-beam Sputter Coater) film forming device.
  • IBS Ion-beam Sputter Coater
  • the brightness was about 800 to 900 lm, and the illumination light that could be extracted to the emission side was smaller compared to the example. This is because the component that can not be totally reflected is repeatedly reflected by the reflection film, but the reflectance of the total reflection film is 90% or less, so it is thought that the fluorescence is attenuated for each reflection and the illumination light that can reach the emission side becomes smaller.
  • white light with no color unevenness in the central part at a diameter of 498 ⁇ m is a pattern in which only the fluorescence is present in the outer peripheral part, and this phenomenon becomes noticeable when the diameter is increased. It was

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Abstract

【課題】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、光導波路からの白色光の発振効率を向上させると共に、得られる白色光の色ムラを防止する。【解決手段】蛍光体素子（１）は、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（２）であって、光導波路（２）が、励起光および蛍光を出射する出射側端面（２ｆ）、出射側端面（２ｆ）と反対側の対向端面（２ｅ）および外周面（２ｃ、２ｄ）を有している光導波路、光導波路（２）の外周面を被覆するクラッド層（３）、およびクラッド層（３）を被覆する反射膜（４）を備える。出射側端面（２ｆ）の面積が対向端面（２ｅ）の面積よりも大きい。光導波路（２）の外周面が光導波路の中心軸（Ｋ）に対して２°以上、１３°以下傾斜している傾斜部分（２ｃ、２ｄ）を含む。

Description

蛍光体素子および照明装置
　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。
　白色レーザーについては、米国SORAA社から、非特許文献１に示す構造が開示されている。本レーザーは、励起用レーザーの光を直接に蛍光体の斜め上方から入射させて、蛍光体の反対面に反射膜を形成することにより、励起光と蛍光を反射して上方に白色光として取り出している。この白色レーザーは、励起用レーザーと蛍光体を一体化、小型化し、かつ指向性の高い照明光を得ることができるとして、特殊光源や光通信用光源としての応用が期待されている。
　一方、特許文献１には、蛍光ファイバを用いた白色光発光装置が記載されている。この装置では、蛍光体からなる光ファイバに対して励起光を入射させ、光ファイバの側周面から白色光を発光させる。
　更に、特許文献２では、蛍光体からなる光ファイバの外周面を金属膜によって被覆し、光ファイバに励起光を入射させ、光ファイバの出射側端面から白色光を出射させている。
J. W. Raring et al., "Laser diode phosphor modules for unprecedented SSL optical control," 2016 Illuminating Engineering Society (IES) Annual Conference, Orlando, FL (Oct. 24, 2016).
特許第４２９９８２６ 特許第５２１４１９３
　しかし、非特許文献１記載の構造では、蛍光の取り出し効率が悪く、励起光が蛍光体の側面方向から漏れるためにBeam Dump用の吸収体を必要としており、励起レーザー光もロスしていることがわかる。
　特許文献１記載の構造では、強度や指向性の高い白色光を得ることが困難であり、また外周面のさまざまな場所から蛍光と励起光とが発光するため白色光の色ムラが見られる。
　特許文献２記載の構造では、指向性の高い白色光が得られるが、励起光が変換された蛍光が出射側へ取り出される効率（取出効率）に限界があることがわかった。
　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、光導波路からの白色光の取出効率を向上させると共に、得られる白色光の色ムラを防止できるようにすることである。
　本発明に係る蛍光体素子は、
　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および外周面を有している光導波路、
　前記光導波路の前記外周面を被覆するクラッド層、および
　前記クラッド層を被覆する反射膜を備えており、
　前記出射側端面の面積が前記対向端面の面積よりも大きく、かつ
　前記光導波路の前記外周面が前記光導波路の中心軸に対して２°以上、１３°以下傾斜している傾斜部分を含むことを特徴とする。
　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、前記蛍光体素子であり、前記光導波路の出射側端面から白色光が放射することを特徴とする。
　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、光導波路の外周面上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。この上で、光導波路の出射側端面の面積を相対的に大きくし、かつ光導波路の外周面（クラッド層との境界面）を中心軸に対して２～１３°傾斜させることで、出射光量を増大させると同時に、出射する白色光の色ムラも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１を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、出射側端面２ｆを示す正面図であり、（ｃ）は、対向端面２ｅを示す正面図である。 蛍光体素子１の平面的寸法を示す模式図である。 他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１の厚さ方向の寸法を示す模式的断面図である。 比較例に係る蛍光体素子２１における光の伝搬状態を示す模式図である。 蛍光体素子１における光の伝搬状態を示す模式図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子３１を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、出射側端面３２ｆを示す正面図であり、（ｃ）は、対向端面３２ｅを示す正面図である。 蛍光体素子４１の横断面を示す模式図である。 蛍光体素子４１の横断面における光の伝搬を示す模式図である。
　図１、図２は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子１を示す。
　本例では、光導波路２は、横断面が四辺形をしており、細長く伸びている。光導波路２の出射側端面２ｆと対向端面２ｅとの間に外周面が伸びており、外周面は、細長い底面２ａ、底面２ａに対向する上面２ｂおよび一対の側面２ｃ、２ｄを有している。そして、光導波路２の外周面をクラッド層３が被覆しており、クラッド層３を反射膜４が被覆している。
　クラッド層３は、光導波路２の底面２ａを被覆する底面側クラッド層３ａ、上面２ｂを被覆する上面側クラッド層３ｂ、各側面２ｃ、２ｄを被覆する側面側クラッド層３ｃ、３ｄを備えている。また、反射膜４は、底面側クラッド層３ａ上の底面側反射膜４ａ、上面側クラッド層３ｂ上の上面側反射膜４ｂ、および側面上クラッド層３ｃ、３ｄ上の側面側反射膜４ｃ、４ｄを備えている。反射膜上には、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。
　本発明に従い、出射側端面２ｆの面積ＡＯを、対向端面２ｅの面積ＡＩよりも大きくする。なお、励起光は、対向端面２ｅから入射させてもよく、出射側端面２ｆから入射させて対向端面２ｅ上の反射膜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２と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増加させることができる。
　その上で、光導波路の中心軸に対して傾斜する傾斜部分を光導波路の外周面に設けていることが重要である。これによる利点について更に述べる。
　まず、中心軸に対して傾斜する傾斜部分を光導波路の外周面に設けない場合について述べる。図５はこの形態に係るものである。
　図５に示す比較例の蛍光体素子２１においては、光導波路１２の幅Ｗが一定であり、厚さも一定である。また光導波路１２の出射側端面１２ｆの面積と対向端面１２ｅの面積とが同一である。この場合には、励起光Ａが光導波路１２内を伝搬し、蛍光体粒子１６に当たると、蛍光体粒子１６から蛍光が発光する。このとき、蛍光は、蛍光体１６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１６から出射側端面１２ｆのほう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１２ｆ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１２ｆ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１２ｆ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。
　蛍光体１６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１６から対向端面１２ｅ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。
　一方、図２の蛍光体素子１においては、光導波路２の上面の幅Ｗが対向端面２ｅ（ＷＩ）から出射側端面２ｆ（ＷＯ）へと向かって徐々に大きくなっている。なお、θは、光導波路２の中心軸Ｋと側面６ｃ、側面６ｄとの角度である。本例では角度θは一定であり、かつ２～１３°の範囲内である。なお、θ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。
　ここで、図６に示すように、励起光Ａが光導波路内を伝搬し、蛍光体粒子１６に当たると、蛍光体粒子１６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１６から出射側端面のほう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θ傾斜している場合には、蛍光Ｆの入射角θｐが、図５の例に比べてθ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５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１６から、光導波路の中心軸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θ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、蛍光Ｃは反射膜４ｄで反射されることになるが、次に反対側側面２ｃのクラッド層３ｃとの界面に入射する角度はさらにθ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。光導波路の側面２ｄ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θ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２の外周面が中心軸Ｋに対して傾斜している場合には、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１６から対向端面２ｅ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θ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。
　図３の実施形態では、光導波路２の幅Ｗが、対向端面２ｅにおいてはＷＩであり、出射側端面２ｆ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、本例では、光導波路の中心軸と側面２ｄとの角度θは２～１３°である。本例では、側面２ｃは励起光の光軸と平行であり、側面２ｄは励起光の光軸に対して２θ傾斜している。
　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４の蛍光体素子５１においては、光導波路２の厚さＴが、対向端面２ｅにおいてはＴＩであり、出射側端面２ｆ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２の中心軸Ｋと底面２ａおよび上面２ｂとの傾斜角度である。本例では傾斜角度αは一定であり、２～１３°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。
　なお、光導波路の幅を変化させた場合の作用効果は前述したが、厚みを変化させた場合も同様であり、上面、底面によって反射され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。
　上述の実施形態では、光導波路の横断面形状を四辺形とした。しかし、光導波路の横断面形状は四辺形には限定されず、円形、楕円形、六角形等の多角形であってよい。
　例えば図７の蛍光体素子３１においては、横断面が円形である光導波路３２が設けられている。光導波路３２は、図７（ｂ）に示す出射側端面３２ｆと、図７（ｃ）に示す対向端面３２ｅと、出射側端面と対向端面との間の外周面３２ａを有している。光導波路３２の外周面３２ａ上にはクラッド層３３が設けられており、クラッド層３３上には反射膜３４が設けられている。出射側端面３２ｆの直径ＤＯは対向端面３２ｅの直径ＤＩよりも大きくなっており、外周面３２ａは中心軸に対して２～１３°の角度で傾斜する傾斜面を形成している。
　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８に示す蛍光体素子４１においては、光導波路４２は、横断面が台形をしており、細長く伸びている。光導波路４２の出射側端面４２ｆと対向端面４２ｅとの間に外周面が伸びており、外周面は、細長い底面４２ａ、底面４２ａに対向する上面４２ｂおよび一対の側面４２ｃ、４２ｄを有する。そして、光導波路４２の外周面をクラッド層３が被覆しており、クラッド層３を反射膜４が被覆している。
　そして、光導波路４２の幅が、上面における幅から底面における幅に向かって徐々に大きくなっている。なお、βは、光導波路４２の底面４２ａに対する側面４２ｃ（４２ｄ）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θ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９を参照して述べる。
　本例では、蛍光体１６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Ｇは、側面４２ｃ（４２ｄ）によって矢印Ｈのように反射される。このとき、側面４２ｃ（４２ｄ）が底面の法線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、底面で更に矢印Ｉのように反射される。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。
　本発明では、光導波路の外周面が光導波路の中心軸に対して２°以上、１３°以下傾斜している傾斜部分を含む。この傾斜角度を２°以上とすることによって、出射側端面から発振する光強度を高くすることができる。この観点からは、傾斜角度を４°以上とすることが更に好ましい。また、この傾斜角度が１３°を超えると、出射側端面から出射する白色光の色ムラが大きくなるので、１３°以下とするが、１０°以下が更に好ましい。
　また、前記傾斜部分の面積は、光導波路の外周面の面積のうち３０％以上を占めていることが好ましく、５０％以上を占めていることが更に好ましく、１００％を占めていても良い。
　光導波路の幅Ｗや直径は、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。
　出射側端面の面積ＡＯの対向端面の面積ＡＩに対する比率（ＡＯ／ＡＩ）は、本発明の観点からは、１．２以上が好ましく、１．４以上が更に好ましい。一方、ＡＯ／ＡＩは２０以下が好ましく、５．５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。
　光導波路の底面の法線Ｍに対する各側面の傾斜角度β（図８、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。また、βは、５０°以下が好ましく、３５°以下が更に好ましい。
　光導波路の長さ（出射側端面と対向端面との間隔）Ｌ（図２参照）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。
　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い。クラッド層と蛍光体との屈折率差は０．０５以上であることが好ましい。こうしたクラッド層の材料は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＭｇＯなどがよい。
　クラッド層と反射膜との間にバッファ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。
　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Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｂａ５Ｓｉ１１Ａｌ７Ｎ２５、Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２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。
　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
（実施例Ａ１～Ａ３および比較例Ａ１～Ａ３）
　図１、図２に示すような形態の蛍光体素子１を作製した。
　ＣｅドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）単結晶からなる厚み３００μｍ、縦１５ｍｍ、横１５ｍｍの蛍光体からなる基板上に、Ａｌ２Ｏ３からなるクラッド層を厚さ０．３μｍ、反射膜としてアルミニウム合金を１μｍ成膜した。その後、２インチのサファイア基板に対して、上記の蛍光体基板を、前記アルミニウム合金膜を貼り合せ面として熱可塑性樹脂（ワックス）にて接着した。貼り合せた後の接合体を、蛍光体部分が幅１５ｍｍ×長さ２ｍｍになるように切断した。
　次に、ダイシング装置により幅２００μｍ、＃６０００のブレードにて溝加工を行い、水平方向に傾斜部分２ｃ、２ｄを形成した。各傾斜部分２ｃ、２ｄの傾斜角度θは、それぞれ、０°、２°、５°、１０°、１３°、１５°、２０°に変更した。蛍光体からなる光導波路の厚さは、出射側端面と対向端面との間で一定とした。
　次いで、上側クラッド層としてＡｌ２Ｏ３を２μｍ、反射膜としてアルミニウム合金を１μｍ成膜した。蛍光体からなる光導波路の側面には、クラッド層が０．３μｍ、金属膜０．５μｍ成膜していることを確認した。
　その後、光導波路の入力側と出力側を５０μｍ程度の端面研磨を行った。入射側の対向端面については、ＩＢＳ（Ion-beam Sputter Coater）成膜装置によって、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ダイクロイック膜を成膜した。最後に、素子幅１ｍｍとなるようにダイシング切断を行い、素子サイズ幅１ｍｍ×長さ１．９９ｍｍとし、ホットプレート上で加熱することで、サファイア基板から蛍光体素子を分離させ、図１、図２に示す蛍光体素子１を作製した。
　作製した素子について、波長４５０ｎｍのレーザー光を照射して、出力側から出射する出力光の明るさと色ムラを測定した。ただし、これらは以下のようにして測定した。
（明るさ）
　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）
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
 
　この結果、表１に示すように、傾斜角度を２°以上とすることで、出力光の明るさが著しく向上した。また、傾斜角度が１３°を超えると、出力光に色ムラが発生することがわかった。この出力光を観察したところ、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。
　実施例Ａ１～Ａ３の各蛍光体素子は、入射側端面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、例えば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を得ることができる。
（実施例Ｂ１～Ｂ３）
　実施例１と同様にして蛍光体素子を作製した。ただし、実施例１と異なり、図４に示すように、厚み方向に光導波路２の側面２ａを角度αだけ傾斜させた。そして、実施例１と同様にして蛍光を発生させ、出射光の明るさと色むらとを測定した。結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
 
（実施例Ｃ１～Ｃ７）
　実施例Ａ１～３と同様にして蛍光体素子を作製した。ただし、実施例Ａ１～３と異なり、図８、図９に示すように、光導波路４２の各側面を底面の法線Ｍに対して角度βだけ傾斜させた。そして、実施例１と同様にして蛍光を発生させ、出射光の明るさと色むらとを測定した。結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
  
 
（比較例Ｄ１～Ｄ３）
　引き下げ法によって育成したＣｅドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）単結晶で直径が１５０μｍ、４９８μｍ、１０００μｍ、長さ２ｍｍのファイバ状の蛍光体に、Ａｌ２Ｏ３からなるクラッド層を厚さ０．３μｍ、反射膜としてアルミニウム合金を１μｍとなるように蛍光体の外周部に成膜した。
　その後、基板の入力側と出力側を５０μｍ程度の端面研磨を行い、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ダイクロイック膜を成膜し、長さ１．９９ｍｍの蛍光体素子を作製した。
　作製した素子について、実施例Ａ１～３と同様にして出力光の明るさと色ムラを測定した。結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
  
 
　この結果、表４に示すように、明るさは８００～９００ｌｍ程度となり、実施例と比較して出射側に取り出すことができる照明光が小さくなった。これは、全反射できない成分は反射膜にて反射を繰り返すが、全反射膜の反射率が９０％以下となるために、反射毎に蛍光が減衰し出射側に到達できる照明光が小さくなると考えられる。色ムラについては、直径４９８μｍでは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、直径を大きくすると、この現象が顕著となっていた。

Claims (10)

  1. 　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および外周面を有している光導波路、
    　前記光導波路の前記外周面を被覆するクラッド層、および
    　前記クラッド層を被覆する反射膜を備えており、
    　前記出射側端面の面積が前記対向端面の面積よりも大きく、かつ
    　前記光導波路の前記外周面が前記光導波路の中心軸に対して２°以上、１３°以下傾斜している傾斜部分を含むことを特徴とする、蛍光体素子。
  2. 　前記光導波路の前記外周面のうち前記傾斜部分が３０％以上を占めていることを特徴とする、請求項１記載の蛍光体素子。
  3. 　前記光導波路の前記外周面が、底面、前記底面に対向する上面、および前記底面と前記上面との間の一対の側面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３または４記載の素子。
  6. 　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３～５のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  7. 　前記各側面の前記底面の法線に対する傾斜角度が５０°以下、１０°以上であることを特徴とする、請求項６記載の素子。
  8. 　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１～７のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  9. 　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１～７のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  10. 　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１～９のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子であり、前記光導波路の前記出射側端面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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