JP6334142B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ガイドと蛍光体プレート等の波長変換部材を組み合わせた発光装置に係り、特に波長変換部材の両面に反射部材を配置し、反射部材が配置されていない側面から光を取りだすようにした発光装置に関する。

従来、光ファイバ等の光ガイドにより伝送される励起光を吸収し、波長変換して所定の波長域の光を放出する波長変換部材を用いた発光装置が提案されている（特許文献１）。このタイプの発光装置では、円盤状の波長変換部材の底面に光ガイドが接続されるとともに光ガイドを除く底面と上面に反射膜が配置され、側面から光を取りだすようにしている。この発光装置は車両用灯具に適した半双指向性を持つ光源となる。

特開２０１３−１３１３３５号公報

上述した発光装置では、波長変換部材で変換された光が、波長変換部材を伝搬し側面から取り出されるまでに、波長変換部材の両面に設けた反射膜によって反射を繰り返される際に損失が生じる。例えば反射部材が最も反射効率のよい金属（Ａｇ）の場合でも反射率は９８％であり、反射を繰り返すことにより損失は増大する。また増反射機能がある誘電体を金属膜と組み合わせて用いる場合、誘電体に増反射機能を持たせるためには層数を増やす必要があり、それによって高入射角側の反射特性が急激に悪くなることが知られている。特許文献１に記載されるような側面から光を取りだす発光装置では、光を側面から取り出すために反射部材の高入射角側の特性が重要となるため、その低下は高輝度化を妨げる大きな要因となる。

このように反射部材の特性による光エネルギーの損失は高輝度化の障害となるが、さらに光から変換された熱による消光という問題もある。
本発明は、側面から光を取り出す発光装置において高輝度化を図ることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の発光装置を提供する。すなわち、本発明の発光装置は、波長変換部材と当該波長変換部材の上面を覆う反射部材とを含む発光部と、前記発光部の裏面に固定され、前記波長変換部材に含まれる蛍光体を励起する光を供給する光ガイド部材とを備え、前記発光部の側面が光出射面となる発光装置であって、前記発光部は、前記波長変換部材を挟んで両側に、前記波長変換部材の屈折率よりも低屈折率の材料からなる全反射層が形成されていることを特徴とする。

波長変換材料の両面に、所定の光の入射角度範囲（臨界角以上の角度）において光を全反射する層を設けたことにより波長変換材料内を伝搬する光のエネルギー損失を低減し、発光装置の高輝度化を図ることができる。またエネルギー損失に伴う発熱が少なくなるため信頼性が向上する。

第１実施形態の発光装置の全体概要を示す図 第１実施形態の発光装置の変更例を示す図 第１実施形態の発光装置の別の変更例を示す図 第１実施形態における光の進路を説明する図 第２実施形態の発光装置の全体概要を示す図 （ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態の発光装置の要部とその変更例を示す図 第３実施形態の発光装置の一態様を示す図 第３実施形態の発光装置の別の態様を示す図 第４実施形態の発光装置の全体概要を示す図

以下、図面を参照して、本発明の発光装置の実施形態を説明する。

＜第１実施形態＞
本実施形態の発光装置は、図１に示すように、励起光を導光する光ガイド部材１０と、励起光を吸収し励起光と異なる波長の光を発する波長変換部材２０を含む発光部とを組み合わせた発光装置であり、波長変換部材２０の側面から光を効率よく出射させるために、波長変換部材２０の両面に特定の光反射構造が形成されていることが特徴である。波長変換部材２０と光反射構造を含めて発光部という。

まず本実施形態の発光装置を構成する構造について図１を参照して説明する。
図１に示す発光装置１００は、保持部材１２に保持された光ガイド部材１０と、保持部材１２の上面に固定された発光部５０とからなる。光ガイド部材１０は、その一端が保持部材１２の上面とほぼ同一面となるように保持部材１２に支持されている。光ガイド部材１０の他端は光源３０に接続されている。

発光部５０は、波長変換部材２０と、その両面に形成された全反射層４１ａ、４１ｂ（総括して全反射層４１ともいう）と、上面側の全反射層４１ａの上に配置された反射層４３とを備えており、下面側が接合材６０を介して光ガイド部材１０の先端が露出した保持部材１２の上面に固定されている。波長変換部材２０は、光源３０から光ガイド部材１０を介して発光部５０に導入された励起光を吸収し波長の異なる光を発する。励起光と波長変換部材２０が発する光は、波長変換部材２０内を伝搬し、発光部５０の側面から出射する。

次に発光装置１００の各要素の詳細を説明する。
本実施形態の発光装置１００に用いる光源３０は、波長変換部材２０に含まれる蛍光体を励起する波長の光を発するものであればよく、紫外光から青色光領域に発光波長をもつ発光ダイオードやレーザーダイオードなどの固体光源を用いることができる。例えば、ＧａＮ系の材料を用いた約４０５ｎｍの紫外光を発光するレーザーダイオードや、約４５０ｎｍの青色光を発光するレーザーダイオードを用いることができる。

光ガイド部材１０は、励起光源３０からの励起光を導光するもので、中心部のコアとその周囲を覆うクラッドからなる光ファイバであり、石英ガラス、プラスチック等公知の材料のものを用いることができる。コア径は特に限定されないが、例えば０．２ｍｍ程度のものを用いることができる。また光ガイド部材１０の出光面から出射される光の角度を大きくするために開口数ＮＡが大きい光ファイバを用いることが好適である。開口数ＮＡはコアの屈折率とクラッドの屈折率で決まる。一般にコアはクラッドと比較して屈折率が高いので、光ガイド部材１０の入光面（光源３０側端部）から光ガイド部材１０に導入された励起光は、コアとクラッドとの境界で全反射することでコア内に閉じ込められた状態で出光面（波長変換部材２０側端面）から出射する。この出射光の角度は開口数で決まり（ＮＡ＝ｓｉｎθmax）、開口数が大きいほど角度も大きい。開口数の大きい光ファイバを用い、出射光の角度を広げることにより、光ファイバへの光の戻りを少なくし波長変換部材２０への入射光を増加することができる。但し、光ファイバから出射される光の角度は、後述する全反射層４１ｂで全反射されない角度（ブリュースター角）より小さくする必要がある。

光ファイバは、単線ファイバであっても多線ファイバであってもよい。また単一モードファイバであっても、マルチモードファイバであってもよいが、マルチモードファイバを用いた場合には、一般にガウシアン分布を持つレーザー光を均一分布にすることができるため、波長変換部材２０内で大きい角度で反射する光を増加することできる。マルチモードファイバは、円形マルチモードファイバ、矩形マルチモードファイバのいずれでもよい。

なお図では示していないが、励起光源３０と光ガイド部材１０の入光面との間には、励起光源３０からの光を効率よく光ファイバ内に取り込むために集光レンズなどを配置してもよい。

光ガイド部材１０は、保持部材（フェルール）１２を貫通する穴に挿入された状態で保持部材１２に支持されており、その一端は保持部材１２の端面１２ａと同一面に位置している。保持部材１２の材料は、特に限定されないが、ステンレス、ニッケル、ジルコニア等の金属、樹脂、ガラスなどが用いられる。また保持部材１２の、波長変換部材２０が配置される側の端面１２ａは反射面であることが好ましい。反射面は、保持部材１２の端面１２ａを鏡面研磨することによって形成してもよいし、金属膜や誘電体膜などの反射膜１５を保持部材１２の表面に蒸着やメッキ等により形成してもよい。さらに表面に反射面を持つ部材（反射性部材）を保持部材１２の端面１２ａに貼着してもよい。反射膜１５は、端面１２ａの光ファイバ先端が位置する部分を除いて形成されている。

光ガイド部材１０と発光部５０とを接合する接合材６０としては、シリコーン樹脂、ガラス等の高耐熱性・透光性の材料を用いることができる。特に励起光の波長範囲及び波長変換部材が発する光の波長範囲において高い透光性を有するものが好ましい。また接合部材６０の屈折率は、光ガイド部材１０のコアと同程度であることが好ましい。接合材６０の厚みは特に限定されないが、１μｍ〜５μｍ程度が好適である。

波長変換部材２０は、励起光源３０から光ガイド部材１０を介して入射される励起光を吸収し、励起光と波長の異なる光を発生するものであり、その材料として、紫外光から青色光領域の光を吸収し、それより長波長の光を発する蛍光体が用いられる。具体的には、紫外光励起蛍光体として、（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ^２＋、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_５：Ｅｕ^２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋、ＫＴｉＦ_６：Ｍｎ^４＋等の赤色発光蛍光体、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋（ＹＡＧ）、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ^２＋、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｔｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、ＣａＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋、Ｃａ−α−Ｓｉａｌｏｎ：Ｅｕ^２＋等の黄色発光蛍光体、Ｙ_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、ＣａＳｃ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＣａＳｃ_２Ｏ_４：Ｃｅ^３＋、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）_８：Ｅｕ^２＋、β−Ｓｉａｌｏｎ：Ｅｕ^２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）Ｓｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋等の緑色発光蛍光体が挙げられる。これらは発光装置の所望の発光色に応じて、１種または２種以上を混合して用いることができる。

蛍光体の形態としては、蛍光体粉末をガラスや樹脂中に分散させたもの、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、及び蛍光体セラミックス等を用いることができる。蛍光体粉末をガラスや樹脂中に分散させたものとして具体的には、上述した蛍光体の粉末をＰ_２Ｏ_３、Ｓｉ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などの成分を含むガラス中に分散したものが挙げられる。ガラス蛍光体としては、Ｃｅ^３＋やＥｕ^２＋を賦活剤（発光中心イオン）として添加したＣａ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系やＹ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ 系等の酸窒化物系ガラス蛍光体が挙げられる。蛍光体セラミックスとしては、上述した蛍光体組成から成り、樹脂成分を実質的に含まない焼結体が挙げられる。

これらの中でも蛍光体粉末の焼結体である蛍光体セラミックスが好ましく、特に、焼結体中に光の散乱の原因となるポアや粒界の不純物を殆ど含まない透光性の高いものが好ましい。蛍光体セラミックスは熱伝導性が高いため、蛍光体の発光が熱によって弱まる現象（温度消光）を低減することができる。なお蛍光体セラミックスの焼結体のポアは、焼結体を製造する際に用いる融剤の選択や焼結時の圧力や温度を調整することにより低減することができる。なおポアの残存量を評価する指標として蛍光体セラミックスの比重の値を用いることができ、その値が計算される理論値に対して９５％以上のものが特に望ましい。透光性の高い蛍光体セラミックスを蛍光体プレートして利用することにより、励起光や蛍光を拡散により失うことなく蛍光層からの光の取り出し効率を高めることができる。また蛍光体プレート内で発生した熱を効率よく拡散することができる。
ただし波長変換部材２０は透光性を阻害しない範囲で少量の光拡散材を含んでいてもよい。

波長変換部材２０の形状は、特に限定されるものではないが、本実施形態では高さの低い円筒形状すなわち円盤形状を有し、二つの平行な円形の面２０ａ、２０ｂと短い円筒状の側面２０ｃとを有している。波長変換部材２０の二つの平行な面のうち一方２０ｂ側に光ガイド部材１０（光ファイバ）が接合材等により固定されている。二つの面２０ａ、２０ｂは、光ガイド１０が接合された部分を除き、光を反射するための複数の層４０が形成されている。光ガイド部材１０により波長変換部材２０に入射した励起光及びこの励起光により波長変換材料２０が発する光は、波長変換部材２０の面２０ａ、２０ｂで反射を繰り返し、側面２０ｃから取り出される。すなわち側面２０ｃが波長変換部材２０の光出射面となる。波長変換部材２０の面２０ａ、２０ｂは、これらの面と接する全反射層の機能を発現させるために平滑であることが好ましく、特に鏡面であることが好ましい。具体的には、平均粗さ（Ｒａ）が２０ｎｍ未満であることが好ましい。

全反射層４１は、光ガイド部材１０を構成する光ファイバ（コア）や波長変換部材２０を構成する材料よりも屈折率が小さい透光性材料からなる。

全反射層４１を構成する材料の、波長変換部材２０との屈折率差は、好ましくは０．１以上、より好ましくは０．２以上である。典型的な蛍光体であるＹＡＧの屈折率は１．８５であるので、屈折率が１．６５以下であることが好ましい。このような低屈折率材料として、具体的には、Ｎａ_５Ａｌ_３Ｆ_１４（チオライト）（ｎ＝１．３３）、ＡｌＦ_３（ｎ＝１．３６）、ＭｇＦ_２（ｎ＝１．３８）、ＣａＦ_２（ｎ＝１．４３）、ＳｉＯ_２（ｎ＝１．４５）、Ａｌ_２Ｏ_３（ｎ＝１．６４）などの誘電体物質を用いることができる。これらのうち成膜性の観点からはＳｉＯ_２が好適である。また全反射性を含む性能の観点からはＭｇＦ_２が好適である。

全反射層４１の厚みは、限定されるものではないが、全反射層４１の上に後述する誘電体層の多層膜（増反射層４２）を設ける場合には、好ましくは３００ｎｍ以上、より好ましくは５００ｎｍ以上である。また好ましくは２μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下である。厚みを３００ｎｍ以上とすることにより、増反射層４２と干渉を起こすことなく十分な全反射機能を得ることができる。全反射層４１は、スパッタリング、真空蒸着等の方法で波長変換部材２０の表面に成膜することができる。

このような全反射層４１（４１ａ、４１ｂ）を波長変換部材２０の両面に配置することにより、光が波長変換部材２０内で反射を繰り返しながら側面に伝搬していく際に、所定の入射角より入射角の大きい光を、波長変換部材２０と全反射層４１との間で全反射させて、反射による光の損失を防止することができる。全反射層４１の機能については、後に詳述する。

全反射層４１ａの上に配置される反射層４３は、全反射層４１ａを透過する光を反射し波長変換部材２０に戻すもので、膜であっても基板であってもよい。膜の場合は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ等の金属反射膜及びＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ等の誘電体多層膜を用いることができる。これらの膜はスパッタリング、真空蒸着、メッキ等の方法により形成することができる。基板の場合は、鏡面のＡｌ基板やその上に金属膜、光学多層膜を形成したものを用いることができ、接合材により全反射層４１に接合することができる。接合材としては、発光部５０と光ガイド部材１０とを接合した接合部と同様の材料を用いることができる。

なお図１では、反射層４３を、波長変換部材２０の上面側に位置する全反射層４１ａの上だけに配置する場合を示しているが、図２に示すように、下面側に位置する全反射層４１ｂの接合材６０側に反射層４３を形成してもよい。波長変換部材２０とその両側の全反射層４１ａ、４１ｂを挟むように反射層４３を設けることにより、全反射層４１ｂを透過した光を反射して波長変換部材２０に戻すことができるので、導波損失を低減することができる。また下側の反射層４３を介して、波長変換部材２０と保持部材１２或いはその上に形成された反射膜１５とをはんだやＡｕＳｎ等で共晶接合することが可能となるため、波長変換部材２０で生じた熱を保持部材側１２に効果的に逃がすことができ、温度消光を防止できる。

さらに本実施形態の発光装置１００は、全反射層４１と反射層４３との間に、図３に示すように、増反射層４２を設けてもよい。増反射層４２を下側の全反射層４１に積層する場合には、光ガイド部材１０から波長変換部材２０への光の入射を妨げないために、光ガイド部材１０先端が固定される部分以外の領域に形成する。

増反射層４２は、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層した光学多層膜であり、各層の厚みが入射光の波長λの１／４に調整され、十分な層数とすることにより入射光を殆ど透過せず反射光にすることができる。従って、層の厚みは励起光及び波長変換部材２０が発する光の波長を考慮して調整され、具体的には約１０ｎｍ〜１００ｎｍである。全体の厚みは約０．０１μｍ〜３μｍが好ましい。低屈折率材料としては、例えば、Ｎａ_５Ａｌ_３Ｆ_１４（チオライト）（ｎ＝１．３３）、ＡｌＦ_３（ｎ＝１．３６）、ＣａＦ_２（ｎ＝１．３８）、ＳｉＯ_２（ｎ＝１．４５）、Ａｌ_２Ｏ_３（ｎ＝１．６４）等が用いられる。高屈折率材料としては、ＣｅＯ_２（ｎ＝２．１３）、Ｔａ_２Ｏ_５（ｎ＝２．２０）、Ｔｉ_３Ｏ_５（ｎ＝２．３１）、ＴｉＯ_２（ｎ＝２．３５）、Ｎｂ_２Ｏ_５（ｎ＝２．３７）等が用いられる。これら材料をスパッタリング、真空蒸着等の方法で順次成膜することによりに増反射層４２を形成することができる。

次に本実施形態の発光装置１００における全反射層４１の機能を説明する。
全反射層４１は、波長変換部材２０を伝搬する光のうち、全反射層４１との界面における入射角が臨界角以上の光を反射し、光を波長変換部材２０に閉じ込める機能を持つ。臨界角θＴは、スネル法則より波長変換部材２０と全反射層４１の屈折率で決まり、例えば、波長変換部材２０が屈折率１．８５のＹＡＧ蛍光体であり、全反射層４１が屈折率１．４５のＳｉＯ_２である場合、
sin（θＴ）＝１．４５／１．８５
θＴ＝５１．６
となる。すなわち５１．６°以上の入射角を持つ入射光は波長変換部材２０と全反射層４１との界面で全反射し、上記全反射層と波長変換材料の組み合わせでは、波長変換部材２０への入射角が５１．６°以上であれば理論上、光エネルギーの損失がなく、光は波長変換部材２０を伝搬し発光部側面から取り出すことができる。因みにＹＡＧに対し屈折率１．６５の全反射層を設けた場合には、入射角６３°以上であれば全反射が可能となる。

全反射層を設けずに反射層４３のみを設けた場合、例えば、反射層４３が最も反射率の高い金属膜（Ａｇ）でも反射率は１００％ではなく、可視光領域において一定の吸収を持つ。また一般に増反射性を有する誘電体の多層膜（増反射層４２）を金属膜に加えて配置した場合、反射率は向上するが、増反射層は高い入射角、特に７０度以上の高い入射角、の光に対しては反射率が急に低下するという特性を持つ。従って低入射角の光には増反射効果が得られても、高入射角では増反射効果が得られない。

本実施形態では全反射層４１を配置したことにより、金属膜や増反射層の反射機能を補い、光の取り出し効率を大幅に向上できる。

波長変換部材２０への入射側については、励起光源３０としてＬＥＤ、ＬＤ等の固体光源を用いた場合、固体光源からの励起光は指向性を持つため、励起光は光ガイド部材１０から波長変換部材２０の下側に位置する全反射層４１ｂへは低入射角で入射し、光ガイド部材１０と全反射層４１ｂとの界面で全反射することなく波長変換部材２０に入射することができる。

光ガイド部材１０から出射した光が全反射しない理由について、図４を参照して詳述する。図４は光ガイド部材１０と発光部５０との接続部を拡大した図であり、光の進路を矢印で示している。また以下の説明では、各層（膜）の厚みは均一で界面は平行であることを前提にしている。

ここで光ガイド部材（光ファイバ）１０のコア１０ａの屈折率をｎ１、クラッド１０ｂの屈折率をｎ２、接合材６０の屈折率をｎ３、全反射層４１の屈折率をｎ４とし、コア１０ａとクラッド１０ｂとの反射角をθ１、コア１０ａから接合材６０への入射角をθ２、コア１０ａから接合材６０への屈折角をθ３、接合材６０から全反射層４１への屈折角をθ４とする。

スネルの法則より式（１）が成立し、式（１）より式（２）が得られる。
ｎ１・ｓｉｎθ２＝ｎ３・ｓｉｎθ３＝ｎ４・ｓｉｎθ４ （１）
ｓｉｎθ４＝（ｎ１／ｎ４）ｓｉｎθ２ （２）

一方、光ファイバ（コア）１０ａから放射され光の角度の最大値は、コア−クラッド間の反射角θ１が臨界角、すなわち式（３）を満たすときである。
ｎ１・ｓｉｎθ１＝ｎ２・ｓｉｎ９０°
ｓｉｎθ１＝ｎ２／ｎ１ （３）

また、θ１+θ２＝９０°であって、式（４）の関係があるので、
ｓｉｎθ２＝√（１−ｓｉｎ^２θ１） （４）
式（２）は、式（３）及び式（４）を用いて、式（５）で表すことができる。
ｓｉｎθ４＝（１／ｎ４）√（ｎ１^２−ｎ２^２） （５）

ここで式（５）の右辺の「√（ｎ１^２−ｎ２^２）」は光ファイバの開口数ＮＡ（ＮＡ＝√（ｎ１^２−ｎ２^２））であり、式（５）は開口数ＮＡを用いて式（６）で表すことができる。
ｓｉｎθ４＝（１／ｎ４）・ＮＡ （６）

従って接合材６０から全反射層４１ｂへの屈折角θ４は、式（７）に示すように、全反射層４１の屈折率ｎ４と光ファイバ１０の開口数ＮＡで決まる。
θ４＝ｓｉｎ^−１（（１／ｎ４）・ＮＡ） （７）

全反射層４１がＳｉＯ_２（屈折率１．４５）、光ファイバのＮＡが０．３０であるとするとθ４は約１２°であり、垂直入射に近い角度で全反射層に入射することになる。全反射層４１に入射した光は波長変換部材２０へ角度θ４で入射するが、全反射層４１の屈折率は波長変換部材２０の屈折率より小さいため、全反射層４１ｂと波長変換部材２０との界面に置いて全反射は起こらず、光は全反射層４１ｂを透過して波長変換部材２０に導入される。

また、光が接合部材６０と全反射層４１ｂとの界面で全反射されないためには、接合材６０から全反射層４１ｂへの屈折角θ４が９０°未満であればよい。全反射が生じる際のコアからの入射角θ２は、式（２）において、θ４＝９０°とすることにより求められる（式（８））。
ｓｉｎθ４＝（ｎ１／ｎ４）ｓｉｎθ２＝１
θ２＝ｓｉｎ^−１（ｎ４／ｎ１） （８）

式（８）において、コアの屈折率ｎ１を１．４６、全反射層４１の屈折率ｎ４を１．４５とすると、全反射が生じる角度θ２の臨界値は約８３°であり、角度θ２が８３°より大きいときに全反射が起こる。一方、コア１０ａから接合材６０に出射される光の角度θ２の最大値θmaxは、ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθmax（ｎは接合材の屈折率）であり、接合材６０（シリコーン樹脂）の屈折率が１．４、ＮＡが０．３０のとき、約１２．３°であり、８３°より小さい。よって全反射層４１ｂの界面では全反射は起こらず、光ガイド部材１０からの光は全反射層４１ｂを経て、波長変換部材２０に導入される。

以上説明したように、本実施形態の発光装置によれば、波長変換部材の両面に全反射層を配置したことにより、光ガイド部材１０から送られる励起光を損失なく、波長変換部材に入射することができ、且つ波長変換部材に送られた光を閉じ込めた状態で光出射面である側面に伝搬させることができるので、高い発光効率が実現できる。また光エネルギーの損失に伴う発熱量を低減することができるので、信頼性が高い。

なお図面に示す実施形態では、発光部５０の側面全面が光取り出し面である場合を示したが、側面の一部に光遮光部材や反射部材を配置し、本実施形態の発光装置の指向特性を調整することも可能である。

＜第２実施形態＞
本実施形態の発光装置は、波長変換部材２０の上面側に、光ガイド部材１０から波長変換部材２０に入射される光を側方に向けて、波長変換部材２０内で高角反射する光の割合を増加させる手段を設けたことが特徴である。以下、図５を参照して本実施形態の発光装置を説明する。図５において、第１実施形態と同じ要素は同じ符号で示し、重複する説明は省略する。

図５に示す発光装置においても、光ガイド部材１０の光出射面に、波長変換部材２０を備えた発光部５０が固定されること、波長変換部材２０の両面に全反射層４１（４１ａ１、４１ｂ）が設けられることは第１実施形態と同様である。本実施形態では、波長変換部材２０の光ガイド部材１０に対向する部分の上面側に凹部が形成され、その部分の全反射層４１ａが波長変換部材２０側に凸状４１１になっていることが特徴である。

全反射層４１ａの凸状の部分（凸部４１１）は、波長変換部材２０に垂直に近い角度（０度に近い入射角度）で入射する光を屈折させて波長変換部材２０の側面方向に誘導する機能を持つ。凸部４１１の形状は、底面の形状及び大きさが光ガイド部材１０の断面とほぼ同程度とすることが好ましく、光ガイド部材１０の断面が円形の場合、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、円錐状、或いは円錐の錐面を外側又は内側に曲面状にした形状などとすることができる。

また凸部４１１の傾斜は、光ガイド部材１０から波長変換部材２０に入射し凸部に当たる光の角度（入射角度）が臨界角θＴ以上であることが好ましい。すなわち図５の右側に示すように、光ガイド部材１０から入射される光の進路をｌ１、凸部の垂線をｌ２、全反射層主平面の垂線をｌ３とし、入射光がほぼ垂線ｌ３に概ね平行であるとすると、入射光に対する傾斜面の角度θ１、入射光の傾斜面に対する入射角θ２、及び、その光が傾斜面で反射して主平面に入射される入射角θ３は、それぞれ次の関係にある（式（９）、（１０））。
θ１＋θ２＝９０° （９）
２θ２＋θ３＝１８０° （１０）

ここでθＴを臨界角とすると、傾斜面及び主平面で光が全反射する条件は次のとおりである。
θ２＞θＴ （１１）
θ３＞θＴ （１２）
これら式（９）〜（１２）から、主平面にたいする傾斜面の角度θ（＝９０°−θ１）を求めると、
θＴ＜θ＜（９０°−θＴ／２） （１３）
となる。例えば、波長変換部材２０がＹＡＧで全反射層４１がＳｉＯ_２である場合の臨界角θＴ（５２°）では、
５２°＜θ＜６４°
となる。これにより凸部４１１に当たった光は全反射されて側面方向に向かうことができる。

なお光ファイバからの光が垂直方向に対し最大角度（α）の広がりを持つ場合には、式（１３）は次式（１４）となる。
θＴ−α＜θ＜｛（９０°−θＴ／２）−α／２｝ （１４）

以上、凸部４１１が図６（ａ）に示す形状の場合を例に説明したが、光ガイド部材１０から入射される光の入射角にある程度分布（ガウシアン分布）があることを考慮すると、図６（ｂ）や（ｃ）に示すような形状が好ましく、特にガウシアン分布を持つ入射角の光を均一分布に近づけるために、図６（ｂ）に示す形状が好ましい。

本実施形態の発光装置において、全反射層４１ａに凸部４１１を形成する方法としては、波長変換部材２０の上面に凸部４１１に対応する凹部をエッチング、微細加工等により形成しておき、その上に全反射層４１ａを形成する方法を採用することができる。全反射層４１ａの上に配置する反射部材が反射層４３の場合には、全反射層４１ａの上に蒸着やメッキ等で成膜すればよいが、金属板等を配置する場合には、全反射層４１ａの上面を平坦にして、すなわち凹部がない状態で配置することが望ましい。

本実施形態によれば、光ガイド部材１０に対応する上面側の全反射層４１ａに光ガイド部材１０からの光を側方に反射させる形状を形成したことにより、波長変換部材２０内での光の反射を低減し、波長変換部材２０内で高角反射する光の割合を増加させることができ、さらに効率よく光を取りだすことができる。

＜第３実施形態＞
本実施形態の発光装置は、波長変換部材２０と光ガイド部材１０の端面の接合部分に、光ガイド部材１０から波長変換部材２０に入射される光の入射角度を広げる手段を設けたことが特徴である。以下、図７及び図８を参照して本実施形態の発光装置を説明する。図７及び図８において、第１実施形態と同じ要素は同じ符号で示し、重複する説明は省略する。

光ガイド部材１０から全反射層４１ｂを通って光波長変換部材２０に入射される光の角度は、全反射層４１ｂで全反射されないために約８０°以下であることが必要であるが、一方、波長変換部材２０において全反射層４１ｂの機能を生かし、光を効率よく側面に導くためにはその制限内で角度が大きいことが好ましい。光ファイバから出射される光はガウシアン分布を持つが、光ファイバの端面の形状を平坦ではなく変化させることにより、ガウシアン分布を均一分布とするができ、出射角度を広げることが可能となる。

図７に示す発光装置では、光ガイド部材１０の端面を保持部材１２の端面に対し凹状にすることにより、光ガイド部材１０から出射される光の角度を広げている。凹状は、図示したような球面状でもよいし、円錐や角錐状であってもよく、端面の研磨加工により形成することができる。いずれの場合にも、光ガイド部材１０から出射する光の分布を均一分布に近づけて、その出射角度を広げることができる。

図８に示す発光装置では、光ガイド部材１０が接合される波長変換部材２０の下面の部分に凹部２１を設けている。凹部２１は、ウェットエッチングやＲＩＥ等により形成することができ、全反射層４１ｂはこの凹部２１を覆って形成される。この場合にも、図７に示す発光装置と同様に、実質的に開口数を広げるのと同様の効果が得られる。

また図８の下に示すように、図７に示す態様と図８に示す態様を組み合わせてもよい。すなわち光ファイバ端面を凹状にするとともに、端面に対応する波長変換部材２０の下面を凹状にする。

本実施形態によれば、光ガイド部材１０から波長変換部材２０に入射される光を均一分布に近づけるとともにブリュースター角度の制限内で入射角度を広げることができる。これにより、第２実施形態と同様に、波長変換部材２０内で高角反射する光の割合を増加させることができ、さらに効率よく光を取りだすことができる。

＜第４実施形態＞
本実施形態の発光装置は、光ガイド部材として、コアの中心が光ガイド部材の中心からずれた材料を用いることが特徴である。図９に本実施形態の発光装置を示す。図９において、第１実施形態と同じ要素は同じ符号で示し、重複する説明は省略する。

図９の下側に光ガイド部材１０の断面を示す。図示する光ガイド部材１０は、複数のコアを束ねたバンドルファイバである。図では３本のコアからなるバンドルファイバを示しているが、コア数は３に限らず、それより多くてもよい。またこのバンドルファイバは、コアがファイバ中心に対し放射状に配置されており、中心にはコアは存在しない。図９の上側の図は複数本のコアを持つバンドルファイバの断面を示しており、図示するように、その端面は円錐状に加工されている。

このようなバンドルファイバでは、光の出射面が傾斜しているため出射光軸が垂直に対し傾斜する。これによりコアと全反射層４１との間に存在する物質（接合材）の屈折率に依存して、光の出射角度は端面が水平な場合に対し変化し、開口数を広げる効果と実質的に同じ効果が得られる。

以上、本発明の各実施形態を説明したが、上記実施形態は適宜組み合わせることも可能であるし、個々の実施形態の説明において触れた変更例は、技術的に矛盾しない限り他の実施形態についても同様に適用することができる。

本発明の発光装置は、側面からの光取り出し効率に優れ、車両用灯具その他一般照明に利用することができる。特に半双指向性を有するので車両用灯具に好適である。

本発明により光の損失が極めて少なく、動作の信頼性の高い発光装置が提供される。

１０・・・光ガイド部材、１２・・・保持部材、１５・・・反射膜、２０・・・波長変換材料、３０・・・光源、４１・・・全反射層、４２・・・増反射層、４３・・・反射層、５０・・・発光部、６０・・・接合材、４１１・・・凸部。

Claims (6)

1. 波長変換部材と当該波長変換部材の上面を覆う反射部材とを含む発光部と、前記発光部の裏面に固定され、前記波長変換部材に含まれる蛍光体を励起する光を供給する光ガイド部材と、前記光ガイド部材が固定された部分を除いて、前記発光部の裏面に配置された反射部材とを備え、前記発光部の側面が光出射面となる発光装置であって、
   前記波長変換部材は、蛍光体粉末をガラス中に分散させたもの、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、及び蛍光体セラミックスのいずれかの形態であり、
   前記発光部は、前記波長変換部材を挟んで両側に、前記波長変換部材の屈折率よりも低屈折率の材料からなる全反射層が形成されており、
   前記全反射層は、誘電体物質からなり、前記波長変換部材の上面及び下面の全面と接して設けられ、前記光ガイド部材から前記発光部に入射する光を透過して前記波長変換部材へ供給することを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置であって、
   前記波長変換部材の前記全反射層と接する表面は、平均粗さ（Ｒａ）が２０ｎｍ未満の鏡面であることを特徴とする発光装置。
3. 請求項１又は２に記載の発光装置であって、
   前記反射部材は、金属反射層と、前記金属反射層と前記全反射層との間に設けられる増反射層とを備えることを特徴とする発光装置。
4. 請求項１に記載の発光装置であって、
   前記波長変換部材の上面に位置する前記全反射層の一部が、前記波長変換部材側に凸状であることを特徴とする発光装置。
5. 請求項１に記載の発光装置であって、
   前記光ガイド部材は、前記発光部に固定される端面が凹状又は凸状であることを特徴とする発光装置。
6. 請求項１に記載の発光装置であって、
   前記発光部の、前記光ガイド部材からの光が入射する面が前記波長変換部材側に凹んだ形状であることを特徴とする発光装置。

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