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WO2020065927A1 - 蛍光体素子、その製造方法および照明装置 - Google Patents

蛍光体素子、その製造方法および照明装置 Download PDF

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WO2020065927A1
WO2020065927A1 PCT/JP2018/036331 JP2018036331W WO2020065927A1 WO 2020065927 A1 WO2020065927 A1 WO 2020065927A1 JP 2018036331 W JP2018036331 W JP 2018036331W WO 2020065927 A1 WO2020065927 A1 WO 2020065927A1
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WO
WIPO (PCT)
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phosphor
light
incident surface
incident
index layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/036331
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
近藤　順悟
直剛 岡田
雄一 岩田
浅井　圭一郎
Original Assignee
日本碍子株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本碍子株式会社 filed Critical 日本碍子株式会社
Priority to PCT/JP2018/036331 priority Critical patent/WO2020065927A1/ja
Priority to PCT/JP2019/013259 priority patent/WO2020066077A1/ja
Priority to JP2019519429A priority patent/JP6632108B1/ja
Priority to DE112019004254.8T priority patent/DE112019004254B4/de
Publication of WO2020065927A1 publication Critical patent/WO2020065927A1/ja
Priority to US17/577,638 priority patent/US11635189B2/en

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Definitions

  • the present invention relates to a phosphor element, a method of manufacturing the same, and a lighting device that emits fluorescent light.
  • a white light source combining a blue laser or an ultraviolet laser with a phosphor.
  • the light density of the excitation light can be increased, and by concentrating a plurality of laser lights on the phosphor, the light intensity of the excitation light can be increased.
  • the luminous flux and the luminance can be simultaneously increased without changing the light emitting area.
  • a white light source combining a semiconductor laser and a phosphor has been attracting attention as a light source replacing the LED.
  • the fluorescent glass used in automotive headlights is Nippon Electric Glass Co., Ltd.'s "Lumiface” fluorescent glass, the National Research and Development Agency of Materials and Materials, Tamura Corporation, and Lightwave's YAG single crystal fluorescent glass.
  • the body is considered.
  • the width of the phosphor increases from the incident surface to the emission surface.
  • the angle of inclination of the side surface of the phosphor is 15 degrees or more and 35 degrees or less.
  • a metal film is formed to accommodate the phosphor in a resin case and allow the inner surface of the case to function as a reflector portion.
  • the phosphor is fixed to the bottom surface of the case by a sealing resin, and the side surface of the phosphor is covered with air.
  • the width of the phosphor increases from the incident surface to the emission surface, and the phosphor is accommodated in the through hole of the heat radiation member. Are bonded to the surface of the through-hole with a glass paste.
  • excitation light is incident on the phosphor, the fluorescence and the excitation light are reflected and changed in direction in the phosphor, and emitted as white light from the phosphor.
  • excitation light is made incident from the entrance surface of the phosphor, and excitation light and fluorescence are emitted from the exit surface opposite to the entrance surface, so that the optical path cannot be changed.
  • excitation light and fluorescence are emitted from the exit surface opposite to the entrance surface, so that the optical path cannot be changed.
  • the object of the present invention is to increase the fluorescence intensity of emitted light and suppress color unevenness of emitted white light when exciting light is incident on the reflective phosphor element to generate fluorescence.
  • Another object of the present invention is to provide a manufacturing method which facilitates heat radiation from a phosphor portion when manufacturing a reflective phosphor element.
  • the phosphor element according to the present invention is a phosphor section having an excitation light incident surface, a facing surface and a side surface facing the incident surface, and at least a part of the excitation light incident on the incident surface.
  • a phosphor part that converts the light into fluorescent light and emits the fluorescent light from the incident surface;
  • a reflecting film is provided, and the area of the incident surface of the phosphor section is larger than the area of the facing surface.
  • the present invention also relates to a lighting device, comprising: a light source that oscillates a laser beam; and the phosphor element.
  • the present invention is a phosphor portion having an incident surface of the excitation light, an opposing surface and a side surface facing the incident surface, and converts at least a part of the excitation light incident on the incident surface into fluorescent light.
  • a phosphor portion that emits the fluorescent light from the incident surface; and an integral reflecting film that covers the phosphor portion, wherein the area of the incident surface of the phosphor portion is greater than the area of the facing surface.
  • a method of manufacturing a large phosphor element Joining the second main surface of the phosphor substrate having a first main surface and a second main surface to a handle substrate, Forming the phosphor portion by processing the first main surface of the phosphor substrate to form the opposing surface and the side surface; A step of forming the reflection film so as to cover the facing surface and the side surface; and a step of separating the phosphor section from the handle substrate.
  • the fluorescent element which injects excitation light with respect to the incident surface of a fluorescent substance part, and emits excitation light and fluorescence from an incident surface, the fluorescence intensity of emitted light is maintained high and color unevenness is suppressed. can do.
  • an integrated reflective film can be formed at the same time, thereby promoting heat radiation from the reflective film.
  • FIG. 1A is a perspective view illustrating a phosphor element 1 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of the phosphor element 1.
  • (A) is a schematic diagram illustrating a light propagation path in the phosphor element 1
  • (b) is a schematic diagram illustrating a light propagation path in the phosphor element 11 of the comparative example.
  • (A) is a schematic diagram showing a light propagation path in the phosphor element 1
  • (b) is a schematic diagram showing a light propagation path in the phosphor element 21 of the comparative example.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a phosphor element 31 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a phosphor element 41.
  • (A) shows a state in which a phosphor substrate 51 made of a phosphor is joined to a handle substrate 53, and (b) shows a state in which a plurality of phosphor portions 2 are formed by processing the phosphor substrate.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a state in which a low refractive index layer 54 is provided on a bonding layer 52 and a phosphor section 2.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a state in which a reflection film 55 is provided on a low refractive index layer 54.
  • the phosphor section 2 includes an incident surface 2a, an exit surface 2b, and four side surfaces 2c.
  • the phosphor portion has a substantially trapezoidal shape, and the angle ⁇ of the side surface 2c with respect to the incident surface 2a is an acute angle smaller than 90 °.
  • the area AI of the incident surface 2a is larger than the area AR of the opposing surface 2b.
  • a low-refractive-index layer 3b is provided on the side surface 2c of the phosphor section 2, and a low-refractive-index layer 3a is provided on the opposing surface 2b.
  • the low-refractive-index layers 3a and 3b form an integrated low-refractive-index layer.
  • the refractive index layer 3 is formed.
  • the low refractive index layer 3 covers the side surface 2c and the opposing surface 2b of the phosphor section 2 over the entire surface.
  • the reflection film 4a is provided on the low-refractive-index layer 3a
  • the reflection film 4b is provided on the low-refractive-index layer 3b.
  • the reflection films 4a and 4b form an integral reflection film 4. Have been.
  • the reflection film 4 covers the low refractive index layer 3 over the entire surface.
  • the fluorescent light emitted from the phosphor particles in the direction of the incident surface 2a is emitted from the incident surface 2a as it is.
  • the fluorescent light emitted from the phosphor particles toward the opposing surface 2b is reflected by the opposing surface and exits from the incident surface 2a as it is.
  • the fluorescent light emitted obliquely as shown by arrows C and D is reflected by the reflection film 4b and emitted from the incident surface 2a as shown by arrows E and B.
  • the area AI of the incident surface of the phosphor section 2 is larger than the area AR of the opposing surface, and the side surface 2c is inclined, the direction of the reflected light E is increased by the inclination angle ⁇ . 2a.
  • the number of reflections until the excitation light exits from the incident surface 2a can be reduced.
  • the width of the phosphor section 12 is constant.
  • the low refractive index layers 13a and 13b are provided on the side surface 12c and the opposing surface 12b of the phosphor element 12, and the low refractive index layers 13a and 13b form an integral low refractive index layer 13.
  • a reflective film 14b is provided on the low refractive index layer 13b, a reflective film 14a is provided on the low refractive index layer 13a, and the reflective films 14a and 14b form an integral reflective film 14. I have.
  • the fluorescent light F emitted from the phosphor particles 5 toward, for example, the side surface 12c is reflected as it is as G and returns to the particles 5, so that it is not reflected from the incident surface 12a. That is, since the side surface 12c and the incident surface 12a are perpendicular to each other, the function of directing the direction of the fluorescent light toward the incident surface 12a when reflecting the fluorescent light does not work. As a result, the number of fluorescence reflections increases.
  • the reflectance at the reflective film is not 100%, and a part of the fluorescent light is absorbed by the reflective film. Therefore, if the number of reflections is large, the fluorescent light is attenuated, and the temperature rise of the reflective film deteriorates the exhaust heat from the phosphor part. As a result, the temperature of the phosphor increases, and the fluorescence intensity decreases.
  • the fluorescence H is not totally reflected by the low-refractive-index layer.
  • H1 is refracted at the interface between the low refractive index layer 3a and H2, is reflected as H2 by the reflection film 4a, is refracted again at the interface between the phosphor part 2 and the low refractive index layer 3a, and is refracted as H3.
  • the light propagates through the phosphor portion 2 and exits from the incident surface 2a.
  • the shape of the phosphor part 2 is the same as that of the phosphor part 2 of FIG.
  • the low refractive index layer 23 is provided on the side surface 2c of the phosphor element 2.
  • the low refractive index layer is not provided on the opposing surface 2b of the phosphor section 2.
  • a reflective film 24b is provided on the low refractive index layer 23, and a reflective film 24a is provided on the facing surface 2b of the phosphor section 2, and the reflective films 24a and 24b are integrated.
  • the reflection film 24 is formed.
  • the fluorescence reflected from the phosphor particles 5 toward the opposing surface side as shown by the arrow H is reflected by the reflection film 24a, propagates through the phosphor part 2 as shown by the arrow H4, and is incident.
  • the light exits from the surface 2a.
  • the fluorescent light emitted obliquely from the phosphor particles 5 toward the opposing surface as shown by the arrow J satisfies the total reflection condition in the low refractive index layer 3a.
  • the light is totally reflected as indicated by an arrow J1 and further reflected at the interface between the low refractive index layer 3b and the phosphor portion 2 as indicated by an arrow J2, and exits from the incident surface 2a.
  • the fluorescent light emitted obliquely from the phosphor particles 5 toward the opposing surface as shown by the arrow J is reflected on the opposing surface 2b.
  • the light is reflected by the film 24a as indicated by an arrow J3, is further totally reflected by the interface between the low refractive index layer 23 and the phosphor part 2 as indicated by an arrow J4, and is emitted from the incident surface 2a.
  • the amount of light energy absorbed by the reflection film 24a is large, and the temperature of the reflection film 24a rises, so that the exhaust heat of the phosphor part 2 is deteriorated and the temperature rises. Therefore, the intensity of the fluorescent light emitted from the incident surface 2a decreases due to the temperature quenching of the phosphor.
  • the phosphor element of the present invention is a phosphor portion having an incident surface of excitation light, a facing surface facing the incident surface, and a side surface, wherein at least a part of the excitation light incident on the incident surface is fluorescent. And a phosphor part for emitting the fluorescent light from the incident surface.
  • the entire excitation light is converted into fluorescent light, only the fluorescent light is emitted from the incident surface.
  • the fluorescence and the excitation light can be emitted from the incident surface.
  • the phosphor constituting the phosphor section is not limited as long as it can convert excitation light into fluorescence, but may be phosphor glass, phosphor single crystal, or phosphor polycrystal.
  • a scattering material may be added to the phosphor to scatter the excitation light and the fluorescence, or holes may be provided in the phosphor. In this case, since the light incident on the phosphor is scattered in the phosphor, the emitted light (excitation light and fluorescence) is scattered, and the scattering angle is increased.
  • the scattering angle of the phosphor can be measured by, for example, a scatterometer “Mini-Diff” manufactured by Cybernet Systems.
  • the scattering angle is defined as the full width angle that is 1 / e 2 of the peak value from the transmission spectrum of the emitted light. At this time, the scattering angle is preferably 5 degrees or more, and more preferably 10 degrees or more.
  • the upper limit of the scattering angle of the phosphor constituting the phosphor portion is not particularly limited, but may be equal to or less than the numerical aperture (NA) of the emitted light, and may be equal to or less than 80 degrees from a practical viewpoint.
  • NA numerical aperture
  • Phosphor glass is obtained by dispersing rare earth element ions in a base glass.
  • the base glass includes silica, boron oxide, calcium oxide, lanthanum oxide, barium oxide, zinc oxide, phosphorus oxide, aluminum fluoride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, and oxide glass containing barium chloride. Can be illustrated.
  • the rare earth element ions dispersed in the phosphor glass Tb, Eu, Ce, and Nd are preferable, but La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, and Lu may be used.
  • the phosphor monocrystal, Y 3 Al 5 O 12, Ba 5 Si 11 A l7 N 25, Tb 3 Al 5 O 12 and YAG can be exemplified.
  • a part of Y (yttrium) of YAG may be substituted by Lu.
  • As a doping component to be doped into the phosphor single crystal rare earth ions are preferable, and Tb, Eu, Ce, and Nd are particularly preferable. However, La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, and Lu are preferable. There may be.
  • Examples of the polycrystalline phosphor include TAG (terbium aluminum garnet), sialon, nitride, BOS (barium orthosilicate), and YAG (yttrium aluminum garnet). A part of Y (yttrium) of YAG may be substituted by Lu.
  • TAG terbium aluminum garnet
  • BOS barium orthosilicate
  • YAG yttrium aluminum garnet
  • Lu Lu
  • rare earth ions are preferable, and Tb, Eu, Ce, and Nd are particularly preferable.
  • La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, and Lu are preferable. Is also good.
  • the phosphor element of the present invention may be a non-grating type phosphor element that does not include a grating (diffraction grating) in the phosphor section, and the grating may be provided in the phosphor section.
  • the phosphor section has at least an excitation light incident surface, a facing surface, and a side surface.
  • the side surface is a surface extending between the incident surface and the facing surface.
  • the shape of the phosphor is not particularly limited.
  • the shapes of the incident surface and the opposing surface of the phosphor portion may be, for example, a polygon such as a circle, an ellipse, a triangle, a square, and a hexagon.
  • an integrated low-refractive-index layer on the side surface and the opposing surface of the phosphor section, and having a lower refractive index than the phosphor section.
  • the low-refractive-index layer is provided on the side surface and the opposing surface of the phosphor portion, but the integral low-refractive-index layer means that the low-refractive-index layers are continuous with each other. I do.
  • the low-refractive-index layer does not need to cover the entire side surface and the entirety of the opposing surface, and it is acceptable that a part of the side surface and a part of the opposing surface are exposed without being covered by the low-refractive index layer. Shall be.
  • it is preferable that 90% or more of the entire area of the side surface and 90% or more of the entire area of the opposing surface are covered with the low refractive index layer. More preferably, it is covered by a rate layer.
  • Examples of the material of the low refractive index layer include aluminum oxide, magnesium oxide, aluminum nitride, tantalum oxide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and silicon carbide. From the viewpoint of heat dissipation, the material of the low refractive index layer is most preferably aluminum oxide or magnesium oxide.
  • the refractive index of the low refractive index layer is lower than the refractive index of the phosphor, but in this case, the total reflection due to the refractive index difference between the phosphor and the low refractive index layer can be utilized, and The reflected light component can be reduced, and light can be prevented from being absorbed by reflection by the reflection film.
  • the refractive index of the low refractive index layer is preferably 1.7 or less, and more preferably 1.6 or less. There is no particular lower limit for the refractive index of the low refractive index layer, and it is 1 or more, but it is practically 1.4 or more.
  • the difference between the refractive index of the phosphor part and the refractive index of the low refractive index layer is preferably 0.1 or more, and more preferably 0.2 or more. Further, the refractive index of the phosphor part is preferably from 1.4 to 1.7, more preferably from 1.42 to 1.5.
  • the thickness of the low refractive index layer is preferably 1 ⁇ m or less, which can reduce the influence on heat radiation. Further, from the viewpoint of suppressing the absorption by the reflective film, the thickness of the low refractive index layer is preferably 0.05 ⁇ m or more.
  • the phosphor element of the present invention has an integral reflecting film covering the surface of the low refractive index layer.
  • the fact that the reflection films are integral means that the reflection films are continuous with each other. However, it is not necessary that the reflection film covers the entire side surface and the entire opposing surface, and it is acceptable that the low refractive index layer is exposed without being covered by the reflection film on a part of the side surface and a part of the opposing surface. It shall be. However, also in this case, it is preferable that 90% or more of the total area of the side surfaces and 90% or more of the total area of the opposing surfaces are covered with the reflective film, and the entire side surfaces and the opposing surfaces are coated with the reflective film. More preferably, it is performed.
  • the material of the reflection film is not particularly limited as long as it reflects the excitation light and the fluorescence that have passed through the phosphor layer.
  • the reflection film does not need to totally reflect the excitation light, and may transmit some or all of the excitation light.
  • the reflection film is a metal film or a dielectric multilayer film.
  • the reflective film is a metal film, the light can be reflected in a wide wavelength range, the incident angle dependence can be reduced, and the durability against temperature and weather resistance are excellent.
  • the reflective film is a dielectric multilayer film, since there is no absorption, light incident at a specific angle can be made 100% reflected light without loss, and can be composed of an oxide film. By increasing the adhesion to the bonding layer, peeling can be prevented.
  • the reflectivity of the excitation light by the reflection film is set to 80% or more, preferably 95% or more.
  • the dielectric multilayer film is a film in which a high refractive material and a low refractive material are alternately laminated.
  • the high refractive index include TiO 2 , Ta 2 O 3 , Ta 2 O 3 , ZnO, Si 3 N 4 , and Nb 2 O 5 .
  • the low refraction material include SiO 2 , MgF 2 , and CaF 2 .
  • the number of layers and the total thickness of the dielectric multilayer film are appropriately selected depending on the wavelength of the fluorescence to be reflected.
  • the material of the metal film is preferably as follows. (1) Single layer film of Al, Ag, Au, etc. (2) Multilayer film of Al, Ag, Au, etc.
  • the thickness of the metal film is not particularly limited as long as it can reflect fluorescence, but is preferably 0.05 ⁇ m or more. 1 ⁇ m or more is more preferable. Further, in order to increase the adhesion between the metal film and the base material, it can be formed via a metal film of Ti, Cr, Ni, or the like.
  • the area of the incident surface of the phosphor portion is larger than the area of the opposing surface.
  • the area AI of the incident surface 2a is larger than the area AR of the opposing surface 2b, whereby the intensity of the fluorescent light emitted from the incident surface can be improved as described above.
  • the ratio of the area AI of the incident surface 2a / the area AR of the opposing surface 2b is preferably 1.2 or more, and more preferably 1.47 or more.
  • the ratio of the area AI of the incident surface 2a / the area AR of the opposing surface 2b is preferably 27.2 or less, and more preferably 11 or less.
  • the inclination angle ⁇ of the side surface with respect to the incident surface of the phosphor portion is preferably 50 ° or more and 85 ° or less, more preferably 60 ° or more and 80 ° or less.
  • a partially transparent film made of a transparent material that transmits excitation light and fluorescence can be provided on the incident surface of the phosphor section.
  • the partially transmitting film is a film that reflects a part of the excitation light and transmits the rest.
  • the reflectance of the partially transmitting film with respect to the excitation light is 9% or more, and preferably 50% or less.
  • Examples of the material of such a partial transmission film include a metal film for reflection and a dielectric multilayer film described above.
  • the incident surface side support substrate can be provided on the incident surface of the phosphor section, so that the heat radiation effect from the phosphor section can be further improved.
  • an opposing surface side support substrate can be provided on the main surface on the opposing surface side of the heat radiating substrate, whereby the heat radiating effect from the heat radiating substrate can be further improved.
  • each support substrate a material having a thermal conductivity (25 ° C.) of 200 W / mK or more is preferable, and a material of 300 W / m ⁇ K or more is particularly preferable. Although there is no particular upper limit on the thermal conductivity of this material, it can be set to 500 W / m ⁇ K or less from the viewpoint of practical availability.
  • each support substrate is preferably transparent or translucent to transmit light.
  • the incident surface side support substrate can be provided with a window for irradiating the incident surface with the excitation light.
  • the material of the incident surface side support substrate does not need to be transparent or translucent.
  • the material of the support substrate is transparent or translucent
  • the material of the support substrate is preferably alumina, aluminum nitride, silicon carbide, quartz, or glass.
  • each support substrate is not transparent or translucent
  • the material of the support substrate is alumina, aluminum nitride, silicon carbide, crystal, glass, copper, silver, gold, aluminum, or an alloy material containing the above metal Is preferred.
  • the material of each support substrate may be the same or different.
  • a transparent or translucent support substrate 7 is formed on the incident surface 2a of the phosphor section 2.
  • the support substrate 7 is wider than the phosphor part 2, and the low refractive index layer 3c and the reflection film 4c are extended thereon.
  • a heat dissipation substrate is provided in contact with the reflection film.
  • the thermal conductivity (25 ° C.) of the material of the heat radiating substrate is preferably 200 W / mK or more. Although there is no particular upper limit for this thermal conductivity, it can be 350 W / m ⁇ K or less from the viewpoint of practical availability.
  • the type of metal plating film may be an electrolytic plating film or an electroless plating film.
  • the metal plating film is made of a metal having a thermal conductivity (25 ° C.) of 200 W / mK or more.
  • gold, silver, copper, aluminum, or an alloy containing these metals is particularly preferable.
  • the phosphor part 2, the low refractive index layer 3, and the reflection film 4 are the same as those of the phosphor element of FIG.
  • the phosphor portion 2, the low refractive index layer 3, and the reflection film 4 are fixed and integrated in the concave portion 8c of the heat dissipation substrate 8.
  • 8a is a thin plate portion in contact with the reflection film 4a
  • 8b is a flange portion having a constant thickness, which is in contact with the reflection film 4b.
  • Such a concave portion of the heat dissipation substrate can be formed by machining or laser processing.
  • the heat dissipation board can be formed by a plating method.
  • the type of the metal plating film may be an electrolytic plating film or an electroless plating film.
  • the metal plating film is made of a metal having a thermal conductivity (25 ° C.) of 200 W / mK or more.
  • As the kind of metal constituting the metal plating film of the phosphor part gold, silver, copper, aluminum, or an alloy containing these metals is particularly preferable.
  • a base film for plating may be provided between the reflection film and the heat dissipation substrate.
  • the base film may be Ni, Cr, Ti, or an alloy containing these metals.
  • the thickness T (FIGS. 1 and 6) of the phosphor portion is preferably 300 ⁇ m or more, and more preferably 800 ⁇ m or more, in order to improve the efficiency of taking out the fluorescence on the emission side.
  • the thickness is preferably 3.0 mm or less.
  • the illumination device of the present invention includes a light source that oscillates a laser beam and the phosphor element.
  • a semiconductor laser made of a GaN material having high reliability for exciting the phosphor for illumination is suitable.
  • a light source such as a laser array arranged one-dimensionally can also be realized. It may be a super luminescence diode, a semiconductor optical amplifier (SOA) or an LED. Also, the excitation light from the light source can be made incident on the phosphor element through the optical fiber.
  • SOA semiconductor optical amplifier
  • the method for generating white light from the semiconductor laser and the phosphor is not particularly limited, but the following method is conceivable.
  • a method of generating white light by generating yellow fluorescence with a blue laser and a phosphor A method of generating white light by generating red and green fluorescence with a blue laser and a phosphor A method of generating white light by generating green fluorescent light
  • the production method of the present invention Joining the second main surface of the phosphor substrate having a first main surface and a second main surface to a handle substrate, Forming a phosphor portion by processing the first main surface of the phosphor substrate to form an opposing surface and side surfaces, A step of forming a reflective film so as to cover the opposing surface and the side surface; and a step of separating the phosphor section from the handle substrate.
  • a large number of specific phosphor elements can be simultaneously formed in one phosphor substrate, so that mass productivity can be improved.
  • a step of forming a low-refractive-index layer on the side surface and the opposing surface of the phosphor section is provided, and a reflective film is formed on the low-refractive-index layer. According to this manufacturing method, the phosphor element according to the present invention can be obtained with high productivity.
  • a bonding layer 52 is formed on a handle substrate 53 and is opposed to the phosphor plate 51.
  • the surface 51b is joined.
  • a phosphor portion having a required form can be formed.
  • the phosphor section 2 having a desired shape is formed on the bonding layer 52.
  • Examples of such a processing method include dicing, slicing, micro grinder, laser processing, water jet, and micro blast.
  • a low-refractive-index layer 54 is formed on the phosphor section 2 and on the bonding layer 52.
  • a reflection film 55 is formed on the low refractive index layer 54.
  • each phosphor element 1 can be cut into a predetermined size.
  • a plurality of phosphor elements 1 can be used as a phosphor element array without being divided.
  • the method of forming the low refractive index layer and the reflective film is not particularly limited, but an evaporation method, a sputtering method, and a CVD method are preferable. In the case of a vapor deposition method, a film can be formed by adding ion assist.
  • a reflective film (and a low-refractive-index layer if necessary) can be formed on the side surface and the opposing surface in one film-forming step.
  • the side surface and the opposing surface are orthogonal as shown in FIG. 2B, it is not possible to simultaneously form the reflective film and the low refractive index layer on the side surface and the opposing surface by one film formation.
  • the refractive index may be distributed or the number of steps may increase the cost, but this manufacturing method can solve the problem.
  • Example 1 The phosphor element 41 shown in FIGS. 5 and 6 was manufactured by the manufacturing method described with reference to FIGS. Specifically, a phosphor plate 51 made of YAG (yttrium aluminum garnet) polycrystal having a thickness of 1 mm and a diameter of 4 inches doped with Ce and doped with a ceramic scattering material was prepared. A sapphire wafer having a thickness of 0.3 mm and a diameter of 4 inches was prepared as the handling substrate 53. The phosphor plate 51 was bonded to the handling substrate 53 using the thermoplastic resin 52 at 100 ° C., and then returned to room temperature and integrated (FIG. 7A).
  • YAG yttrium aluminum garnet
  • setback processing by dicing was performed using a blade having a width of 100 ⁇ m and # 800.
  • the phosphor plate was rotated by 90 degrees and setback processing was similarly performed by dicing to form the phosphor portion 2 (FIG. 7B).
  • the width of the incident surface was 2 mm
  • the thickness was 1 mm
  • the inclination ⁇ of the side surface with respect to the incident surface was 63.5 °.
  • the area AI of the incident surface is 4 mm 2
  • the area of the facing surface is 1 mm 2 .
  • the side surface and the opposing surface of each phosphor part 2 were processed surfaces by dicing, and the arithmetic average roughness Ra of the side surface and the opposing surface was estimated to be 10 ⁇ m.
  • a low-refractive-index layer 54 of Al 2 O 3 was formed to a thickness of 0.5 ⁇ m on the facing surface 2b and the side surface 2c of the phosphor section by sputtering (see FIG. 8). Further, a reflective film 55 made of an Al alloy film was formed on the low refractive index layer 54 with a thickness of 0.5 ⁇ m (FIG. 9). After the film formation, the substrate was heated to 100 ° C. with a hot plate, the phosphor element 1 as shown in FIG. 1 was separated from the handling substrate 53, and the adhesive was washed with an organic solvent.
  • a heat dissipation substrate 8 made of oxygen-free copper having a width of 20 mm ⁇ a length of 20 mm and a thickness of 2 mm was prepared.
  • a groove was formed in the center of the heat dissipation substrate 8 and the phosphor element 1 was buried to obtain a phosphor element 41 shown in FIGS.
  • the white light output (average output) represents the time average of the total luminous flux.
  • the total luminous flux measurement is performed by using an integrating sphere (spherical luminometer) to turn on the light source to be measured and the standard light source for which the total luminous flux is priced at the same position, and to compare the light sources. Specifically, the measurement was performed using the method specified in JISC7801.
  • the output light was evaluated by a chromaticity diagram using a luminance distribution measuring device. Then, in the chromaticity diagram, when the median value is within the range of x: 447 ⁇ 0.005 and y: 0.3553 ⁇ 0.005, “no color unevenness” is set. There is unevenness. "
  • Example 1 A phosphor element 21 having a cross section shown in FIG.
  • the fabrication method was the same as in Example 1.
  • the low-refractive-index layer 23 made of Al 2 O 3 was not formed on the opposing surface of the phosphor portion, but was formed only on the side surface by sputtering a plurality of times.
  • a reflective film 24 made of an Al alloy film was formed with a thickness of 0.5 ⁇ m on the low refractive index layer and the opposing surface.
  • the obtained device was fixed to the heat dissipation board 8 in the same manner as in Example 1.

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Abstract

【課題】反射型蛍光体素子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。 【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、蛍光を入射面から出射させる蛍光体部２、蛍光体部２の側面２ｃ上および対向面２ｂ上にあり、蛍光体部２の屈折率よりも低い屈折率を有する一体の低屈折率層３、および低屈折率層３の表面を被覆する一体の反射膜４を備える。蛍光体部２の入射面２ａの面積ＡＩが対向面２ｂの面積ＡＲよりも大きい。

Description

蛍光体素子、その製造方法および照明装置
　本発明は、蛍光体素子、その製造方法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。
  また、特許文献３～５記載の蛍光体素子では、蛍光体に対して励起光を入射し、蛍光体内で蛍光および励起光を反射して方向転換させ、蛍光体から白色光として出射する。
特許５６７９４３５ 特開２０１７－８５０３８ 特開２０１３－１８７０４３ 特開２０１４－９８６５５６ ＷＯ　２０１７／２１７４８６　Ａ１
  特許文献１、２記載の蛍光体素子では、蛍光体の入射面から励起光を入射させ、入射面と反対側の出射面から励起光および蛍光を出射させるので、光路を変更することができず、設計上の限界がある。
  一方、本発明者が、蛍光体中で光を反射させる反射型蛍光体素子の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、反射型の蛍光体素子では、蛍光体中で励起光および蛍光が反射されて伝搬するが、反射する回数が多く、反射による吸収や散乱による光子の消失がある。このため、励起光強度を上げると、蛍光体の温度が上がり、得られる光強度に限界があった。更に、素子から出射する白色光に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、反射型蛍光体素子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である。
  また、本発明の課題は、反射型蛍光体素子を製造するのに際して、蛍光体部からの放熱を促進しやすい製法を提供することである。
  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、前記蛍光を前記入射面から出射させる蛍光体部、
  前記蛍光体部の前記側面上および前記対向面上にあり、前記蛍光体部の屈折率よりも低い屈折率を有する一体の低屈折率層、および
  前記低屈折率層の表面を被覆する一体の反射膜
を備えており、前記蛍光体部の前記入射面の面積が前記対向面の面積よりも大きいことを特徴とする。
  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。
  また、本発明は、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、前記蛍光を前記入射面から出射させる蛍光体部、および
  前記蛍光体部を被覆する一体の反射膜
を備えており、前記蛍光体部の前記入射面の面積が前記対向面の面積よりも大きい蛍光体素子を製造する方法であって、
  第一の主面と第二の主面を有する蛍光体基板の前記第二の主面をハンドル基板に対して接合する工程、
  前記蛍光体基板の前記第一の主面を加工して前記対向面および前記側面を形成することによって前記蛍光体部を形成する工程、
  前記対向面および前記側面を被覆するように前記反射膜を成膜する工程、および
  前記蛍光体部を前記ハンドル基板から分離する工程
を有することを特徴とする。
　本発明によれば、蛍光体部の入射面に対して励起光を入射し、入射面から励起光および蛍光を出射させる蛍光体素子において、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。
  また、本発明の製法によれば、蛍光体部の入射面に対して励起光を入射し、入射面から励起光および蛍光を出射させる蛍光体素子において、蛍光体部の側面上および対向面上に一体の反射膜を同時に形成でき、これによって反射膜からの放熱を促進できる。
（ａ）は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子１を示す斜視図であり、（ｂ）は、蛍光体素子１の断面図である。 （ａ）は、蛍光体素子１における光の伝搬経路を示す模式図であり、（ｂ）は、対照例の蛍光体素子１１における光の伝搬経路を示す模式図である。 （ａ）は、蛍光体素子１における光の伝搬経路を示す模式図であり、（ｂ）は、対照例の蛍光体素子２１における光の伝搬経路を示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る蛍光体素子３１を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る蛍光体素子４１を示す斜視図である。 蛍光体素子４１の断面図である。 （ａ）は、蛍光体からなる蛍光体基板５１をハンドル基板５３に対して接合した状態を示し、（ｂ）は、蛍光体基板を加工して複数の蛍光体部２を形成した状態を示す。 接合層５２上および蛍光体部２上に低屈折率層５４を設けた状態を示す斜視図である。 低屈折率層５４上に反射膜５５を設けた状態を示す斜視図である。
  以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
  図１に示す蛍光体素子１においては、蛍光体部２は、入射面２ａ、出射面２ｂおよび４つの側面２ｃを備えている。図２（ｂ）に示すように、蛍光体部の横断面においては、蛍光体部は略台形をなしており、入射面２ａに対する側面２ｃの角度θは９０°より小さい鋭角となっている。そして、入射面２ａの面積ＡＩは対向面２ｂの面積ＡＲよりも大きい。
  蛍光体部２の側面２ｃ上には低屈折率層３ｂが設けられており、対向面２ｂ上には低屈折率層３ａが設けられており、低屈折率層３ａと３ｂとによって一体の低屈折率層３が形成されている。本例では、低屈折率層３は、蛍光体部２の側面２ｃおよび対向面２ｂを全面にわたって被覆している。更に、本例では、低屈折率層３ａ上に反射膜４ａが設けられ、低屈折率層３ｂ上に反射膜４ｂが設けられており、反射膜４ａと４ｂとによって一体の反射膜４が形成されている。本例では、反射膜４は低屈折率層３を全面にわたって被覆している。
  ここで、本発明の蛍光体素子によって高い蛍光強度が得られ、色ムラが抑制される理由について更に述べる。
  図２（ａ）に示すように、本発明の蛍光体素子１では、蛍光体部２中に分散されている多数の蛍光体粒子５に対して、矢印Ａのように入射した励起光があたる。すると，各蛍光体粒子５から矢印Ｃ、Ｄのように蛍光が放出される。このとき、各蛍光体粒子からは、あらゆる方向に向かって均等に蛍光が放射される傾向がある。
  ここで、蛍光体粒子から入射面２ａの方向に向かって放射される蛍光は、そのまま入射面２ａから出射する。また蛍光体粒子から対向面２ｂに向かって放射される蛍光は、対向面で反射してそのまま入射面２ａから出射する。しかし、矢印Ｃ、Ｄのように斜めに放射される蛍光は、反射膜４ｂで反射されて矢印Ｅ、Ｂのように入射面２ａから出射する。このとき、蛍光体部２の入射面の面積ＡＩが対向面の面積ＡＲよりも大きくなっており、側面２ｃが傾斜していると、その傾斜角度θのぶんだけ反射光Ｅの方向が傾斜面２ａに向かって傾斜する。この結果、励起光が入射面２ａから出射するまでの反射回数を減らすことができる。
  一方、図２（ｂ）に示す対照例の蛍光体素子１１によれば、蛍光体部１２の幅は一定である。そして、蛍光体素子１２の側面１２ｃ、対向面１２ｂ上には低屈折率層１３ａ、１３ｂが設けられており、低屈折率層１３ａと１３ｂとは一体の低屈折率層１３を形成している。低屈折率層１３ｂ上には反射膜１４ｂが設けられており、低屈折率層１３ａ上には反射膜１４ａが設けられており、反射膜１４ａと１４ｂとは一体の反射膜１４を形成している。
  この場合には、蛍光体粒子５から例えば側面１２ｃに向かって放射された蛍光Ｆは、そのままＧのように反射されて粒子５に戻るため、入射面１２ａから反射されないことになる。つまり、側面１２ｃと入射面１２ａとが垂直であるので、蛍光を反射するときに蛍光の方向を入射面１２ａへと向ける作用が働かない。この結果、蛍光の反射回数が増加する。反射膜での反射率は１００％ではなく、蛍光の一部が反射膜で吸収されるので、反射回数が多いと蛍光は減衰し、反射膜の温度上昇により蛍光体部からの排熱が悪くなり、蛍光体の温度が上昇し、蛍光強度が低下する。
  更に、図３（ａ）に示すように、本発明の蛍光体素子においては、蛍光体粒子５から発振した蛍光のうち、蛍光Ｈは、低屈折率層によって全反射をうけず、蛍光体部２と低屈折率層３ａとの界面でＨ１のように屈折し、反射膜４ａによってＨ２のように反射され、再び蛍光体部２と低屈折率層３ａとの界面で屈折し、Ｈ３のように蛍光体部２中を伝搬し、入射面２ａから出射する。
  一方、図３（ｂ）の対照例では蛍光体部２の形状は図３（ａ）の蛍光体部２と同じにする。そして、蛍光体素子２の側面２ｃ上には低屈折率層２３が設けられている。しかし、蛍光体部２の対向面２ｂ上には低屈折率層が設けられていない。その上で、低屈折率層２３上には反射膜２４ｂが設けられており、蛍光体部２の対向面２ｂ上には反射膜２４ａが設けられており、反射膜２４ａと２４ｂとは一体の反射膜２４を形成している。
  この場合にも、蛍光体粒子５から矢印Ｈのように対向面側へと向かって反射された蛍光は、反射膜２４ａで反射され、矢印Ｈ４のように蛍光体部２内を伝搬し、入射面２ａから出射する。
  一方、図３（ａ）に示すように、蛍光体粒子５から矢印Ｊのように対向面へと向かって斜めに放射された蛍光は、低屈折率層３ａで全反射条件を満足するので、矢印Ｊ１のように全反射し、更に低屈折率層３ｂと蛍光体部２との界面で矢印Ｊ２のように全反射し、入射面２ａから出射する。
  これに対して、図３（ｂ）の蛍光体素子２１では、蛍光体粒子５から矢印Ｊのように対向面へと向かって斜めに放射された蛍光は、対向面２ｂ上に設けられた反射膜２４ａで矢印Ｊ３のように反射され、更に低屈折率層２３と蛍光体部２との界面で矢印Ｊ４のように全反射し、入射面２ａから出射する。この場合、反射膜２４ａでの光エネルギーの吸収量が多いのとともに、反射膜２４ａの温度が上昇し、蛍光体部２の排熱が悪くなり、温度上昇を招く。したがって、蛍光体の温度消光によって入射面２ａから出射する蛍光の強度が低下する。
  本発明の蛍光体素子は、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、蛍光および励起光を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。
  蛍光体の散乱角は、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／ｅ２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、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｂａ５Ｓｉ１１Ａｌ７Ｎ２５、Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２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。
  本発明では、蛍光体部の側面上および対向面上にあり、蛍光体部の屈折率よりも低い屈折率を有する一体の低屈折率層を有する。
  ここで、低屈折率層は、蛍光体部の側面上および対向面上に設けられているが、低屈折率層が一体であるとは、低屈折率層が互いに連続していることを意味する。ただし、低屈折率層が、側面および対向面の全面をすべて被覆している必要はなく、側面の一部、対向面の一部が低屈折率層によって被覆されずに露出することは許容するものとする。しかし、この場合にも、側面の全面積のうち９０％以上、対向面の全面積のうち９０％以上が低屈折率層によって被覆されていることが好ましく、側面および対向面の全面が低屈折率層によって被覆されていることが更に好ましい。
  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。放熱性という観点からは、低屈折率層の材質は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムが最も良い。
  また、低屈折率層の屈折率は、蛍光体の屈折率より低いが、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。低屈折率層の屈折率は、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。また、蛍光体部の屈折率と低屈折率層の屈折率との差異は、０．１以上であることが好ましく、０．２以上であることが更に好ましい。
　更に蛍光体部の屈折率は１．４～１．７が好ましく、１．４２～１．５が更に好ましい。
　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、反射膜による吸収を抑制する観点からは、低屈折率層の厚みは０．０５μｍ以上が好ましい。
  本発明の蛍光体素子は、低屈折率層の表面を被覆する一体の反射膜を有する。反射膜が一体であるとは、反射膜が互いに連続していることを意味する。ただし、反射膜が、側面および対向面の全面をすべて被覆している必要はなく、側面の一部、対向面の一部において低屈折率層が反射膜によって被覆されずに露出することは許容するものとする。しかし、この場合にも、側面の全面積のうち９０％以上、対向面の全面積のうち９０％以上が反射膜によって被覆されていることが好ましく、側面および対向面の全面が反射膜によって被覆されていることが更に好ましい。
　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、特定の角度で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、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｎｂ２Ｏ５を例示できる。また、低屈折材料としては、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２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。
  本発明においては、蛍光体部の入射面の面積が対向面の面積よりも大きい。前記した低屈折率層および反射膜と、このような対向面のほうが面積の小さい蛍光体部の形態とを組み合わせることによって、前述したメカニズムで、蛍光体部における励起光、蛍光の反射回数を少なくして入射面から出射させることができ、反射膜での吸収による発熱を抑制し、かつ蛍光体部中での光の伝搬によって発生した熱の放熱を促進することができる。
  本発明においては、入射面２ａの面積ＡＩは対向面２ｂの面積ＡＲよりも大きく、これによって前述のように入射面から発光する蛍光の強度を向上させることができる。こうした観点からは、入射面２ａの面積ＡＩ／対向面２ｂの面積ＡＲは、１．２以上が好ましく、１．４７以上が更に好ましい。また、実際上は、入射面２ａの面積ＡＩ／対向面２ｂの面積ＡＲは、２７．２以下が好ましく、１１以下が更に好ましい。
  同様の観点から、蛍光体部の入射面に対する側面の傾斜角度θが５０°以上、８５°以下であることが好ましく、６０°以上、８０°以下であることが更に好ましい。
  好適な実施形態においては、励起光および蛍光を透過する透過性材料からなる部分透過膜を蛍光体部の入射面上に備えることができる。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、前述した反射用の金属膜や誘電体多層膜を挙げることができる。
　また、好適な実施形態においては、蛍光体部の入射面上に入射面側支持基板を備えることができ、これによって蛍光体部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。
　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。
  図４に示す蛍光体素子３１においては、蛍光体部２の入射面２ａ上に透明または透光性な支持基板７が形成されている。本例では、支持基板７は蛍光体部２よりも広がっており、その上に低屈折率層３ｃおよび反射膜４ｃが延設されている。
  また、好適な実施形態においては、反射膜と接する放熱基板を備える。放熱基板の材質の熱伝導率（２５℃）は２００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。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、３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることができる。
　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。
　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。
  図５、図６の蛍光体素子４１においては、蛍光体部２、低屈折率層３、反射膜４は、図１の蛍光体素子と同じである。しかし、本例では、蛍光体部２、低屈折率層３および反射膜４が、放熱基板８の凹部８ｃ内に固定され、一体化されている。ただし、８ａは、反射膜４ａに接する薄板部であり、８ｂは厚さ一定のフランジ部であり、反射膜４ｂに接している。こうした放熱基板の凹部は機械加工やレーザー加工によって形成することができる。あるいは、放熱基板は、メッキ法によって形成することもできる。
　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。
　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。
  反射膜と放熱基板の間には、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。
　蛍光体部の厚みＴ（図１、図６）は、蛍光の出射側取出し効率を向上させるために、３００μｍ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。
　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
  本発明の製法は、
  第一の主面と第二の主面を有する蛍光体基板の前記第二の主面をハンドル基板に対して接合する工程、
  蛍光体基板の第一の主面を加工して対向面および側面を形成することによって蛍光体部を形成する工程、
  対向面および側面を被覆するように反射膜を成膜する工程、および
  蛍光体部をハンドル基板から分離する工程
を有する。こうした製法であれば、特定の蛍光体素子を一つの蛍光体基板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。
  好適な実施形態においては、蛍光体部の側面および対向面上に低屈折率層を成膜する工程を有しており、低屈折率層上に反射膜を成膜する。この製法によれば、本発明に係る蛍光体素子を高い生産性で得ることができる。
  以下、図面を参照しつつ、本製法を例示する。
　図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、ハンドル基板５３上に接合層５２を形成し、蛍光体板５１と対向させ，ハンドル基板５３上に蛍光体板５１の第二の主面５１ｂを接合する。
　次いで、ハンドル基板５３上の蛍光体板５１の第一の主面５１ａ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７（ｂ）の例では、接合層５２上に、所望形状を有する蛍光体部２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８に示すように、蛍光体部２上および接合層５２上に低屈折率層５４を形成する。次いで、図９に示すように、低屈折率層５４上に反射膜５５を形成する。
　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１に示す蛍光体素子１が多数形成された基板を得ることができる。次いで、各蛍光体素子１を所定寸法に切り分けることができる。あるいは、複数の蛍光体素子１を切り分けることなく、蛍光体素子アレイとして利用することができる。
　低屈折率層、反射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。
　本発明製法によれば、反射膜（および必要に応じて低屈折率層）を一回の成膜工程で側面上および対向面上に成膜することができる。例えば、図２（ｂ）のように側面と対向面が直交している場合は、側面上および対向面上に1回の成膜で同時に反射膜や低屈折率層を形成することができない。複数回成膜工程がある場合に、屈折率に分布ができてしまうことや工数がかかることによるコスト増となる可能性があるが、本製法ではその問題点が解消できる。
（実施例１）
  図５、６に示す蛍光体素子４１を、図７～図９を参照しつつ説明した製法で製造した。
  具体的には、Ｃｅをドープし、かつセラミック散乱材を添加した厚み１ｍｍ、直径４インチの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５１を準備した。また、ハンドリング基板５３として、厚み０．３ｍｍ、直径４インチのサファイアウエハーを用意した。蛍光体板５１をハンドリング基板５３に対して熱可塑性樹脂５２を用いて１００℃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７（ａ））。
  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った。次いで、蛍光体板を９０度回転させて同様にダイシングによるセットバック加工を行い、蛍光体部２を形成した（図７（ｂ））。入射面の幅を２ｍｍとし、厚さを１ｍｍとし、入射面に対する側面の傾斜θを６３．５°とした。入射面の面積ＡＩは４ｍｍ２であり、対向面の面積は１ｍｍ２である。各蛍光体部２の側面および対向面はダイシングによる加工面であるが、側面および対向面の算術平均粗さＲａは１０μｍと見積もられた。
  次いで、蛍光体部の対向面２ｂおよび側面２ｃに対して、スパッタリングにて、Ａｌ２Ｏ３からなる低屈折率層５４を０．５μｍの厚みで成膜した（図８参照）。さらに、Ａｌ合金膜からなる反射膜５５を、低屈折率層５４上に０．５μｍの厚みで成膜した（図９）。成膜後、ホットプレートで基板を１００℃に加熱し、図１に示すような蛍光体素子１をハンドリング基板５３から分離し、有機溶剤にて接着剤を洗浄した。
  次に、幅２０ｍｍ×長さ２０ｍｍ、厚み２ｍｍの無酸素銅からなる放熱基板８を準備した。この放熱基板８の中央に溝を形成し、蛍光体素子１を埋設し、図５、図６に示す蛍光体素子４１を得た。
　出力３ＷのＧａＮ系青色レーザーを１０個アレイ化し、出力３０Ｗの光源を得た。この光源からレーザー光を蛍光体素子に照射し、照明光の評価を行った。各例の素子の評価結果を表１に示す。
（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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
（比較例１）
  図３（ｂ）に示す断面を有する蛍光体素子２１を作製した。作製方法は実施例１と同様に行った。しかし、Ａｌ２Ｏ３からなる低屈折率層２３は、蛍光体部の対向面には設けることなく、側面上にのみスパッターリングにて複数回に分けて成膜した。そして、Ａｌ合金膜からなる反射膜２４を、低屈折率層上および対向面上に０．５μｍの厚みで成膜した。得られた素子を、実施例１と同様にして放熱基板８に固定した。
  得られた蛍光体素子について、実施例１と同様にして照明光の評価を行った。各例の素子の評価結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
  実施例１の蛍光体素子の場合には、白色光出力が相対的に高く、かつ色ムラがみられなかった。比較例１の蛍光体素子では、白色光出力が低くなり、色ムラが観測された。

Claims (12)

  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、前記蛍光を前記入射面から出射させる蛍光体部、
      前記蛍光体部の前記側面上および前記対向面上にあり、前記蛍光体部の屈折率よりも低い屈折率を有する一体の低屈折率層、および
      前記低屈折率層の表面を被覆する一体の反射膜
    を備えており、前記蛍光体部の前記入射面の面積が前記対向面の面積よりも大きいことを特徴とする、蛍光体素子。
  2.   前記入射面に対する前記側面の傾斜角度が５０°以上、８５°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。
  3.   前記励起光および前記蛍光を透過する透過性材料からなる支持基板を前記入射面上に備え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.   前記反射膜と接する放熱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.   前記放熱基板が、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上の金属からなることを特徴とする、請求項４記載の蛍光体素子。
  6. 　レーザ光を発振する光源、および請求項１～５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。
  7.   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、前記蛍光を前記入射面から出射させる蛍光体部、および
      前記蛍光体部を被覆する一体の反射膜
    を備えており、前記蛍光体部の前記入射面の面積が前記対向面の面積よりも大きい蛍光体素子を製造する方法であって、
      第一の主面と第二の主面を有する蛍光体基板の前記第二の主面をハンドル基板に対して接合する工程、
      前記蛍光体基板の前記第一の主面を加工して前記対向面および前記側面を形成することによって前記蛍光体部を形成する工程、
      前記対向面および前記側面を被覆するように前記反射膜を成膜する工程、および
      前記蛍光体部を前記ハンドル基板から分離する工程
    を有することを特徴とする、蛍光体素子の製造方法。
  8.   前記蛍光体部の前記側面および前記対向面上に前記低屈折率層を成膜する工程を有しており、前記低屈折率層上に前記反射膜を成膜することを特徴とする、請求項７記載の方法。
  9.   前記入射面に対する前記側面の傾斜角度が５０°以上、８５°以下であることを特徴とする、請求項７または８記載の方法。
  10.   前記励起光および前記蛍光を透過する透過性材料からなる支持基板を前記入射面上に設けることを特徴とする、請求項７～９のいずれか一つの請求項に記載の方法。
  11.   前記反射膜と接する放熱基板を設けることを特徴とする、請求項７～１０のいずれか一つの請求項に記載の方法。
  12.   前記放熱基板が、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上の金属からなることを特徴とする、請求項７～１１のいずれか一つの請求項に記載の方法。
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