JP6627914B2

JP6627914B2 - 蛍光部材、光学部品、及び発光装置

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Publication number: JP6627914B2
Application number: JP2018104451A
Authority: JP
Inventors: 徹 ▲高▼曽根; 佐野　雅彦; 雅彦佐野; 祐之井上; 正一山田; 卓史杉山
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2020-01-08
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: JP2019045844A

Description

本発明は、蛍光部材、蛍光部材を含む光学部品、及び蛍光部材を含む発光装置に関する。

特許文献１に記載の波長変換部材は、蛍光体とセラミックスバインダーとの焼成物からなる。

ＷＯ２０１７−０６４９５１

従来の波長変換部材には、その輝度と強度を高いレベルで両立できる余地がある。

本発明の一形態に係る蛍光部材は、複数の蛍光体粒子と、無機バインダーとを含み、光取出し面となる上面を有する。また、前記蛍光部材は複数の空隙を含み、前記上面と平行であり、且つ、前記蛍光体粒子及び前記空隙の双方を横切る一断面において、前記複数の空隙は、前記複数の蛍光体粒子のうちの少なくとも一つの蛍光体粒子の近傍に偏在している。

上記によれば、輝度を高くして、且つ、一定の強度を維持した蛍光部材とすることができる。

図１は、実施形態１に係る発光装置の概略図である。図２は、光学部品の上面図である。図３は、図２のIII−III線における断面図である。図４は、図３の点線枠内における断面図である。図５は、図３のＶ−Ｖ線における断面図の一部を拡大した図である。図６は、実施例に係る蛍光部材のＳＥＭ画像である。図７は、比較例に係る蛍光部材のＳＥＭ画像である。図８は、実施例に係る蛍光部材の照度を測定したデータである。図９は、比較例に係る蛍光部材の照度を測定したデータである。図１０は、実施形態２に係る光学部品の上面図である。図１１は、図１０のＸＩ−ＸＩ線における断面図である。図１２は、実施形態２に係る光学部品の変形例の断面図である。

本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら以下に説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。また、同一の名称、符号については、同一もしくは同質の部材を示しているため、重複した説明は適宜省略する。

＜実施形態１＞
図１に本実施形態に係る発光装置１０００の概略図を示す。図２に光学部品１００の上面図を示し、図３に図２のIII−III線における断面図を示す。また、図４に図３の点線枠内の拡大図を示し、図５に図３のＶ−Ｖ線における断面図の一部を拡大した図を示す。

図１に示すように、発光装置１０００は、蛍光部材１０を含む光学部品１００と、蛍光部材１０に照射する励起光を出射する光源２００と、光源２００からの励起光を蛍光部材１０に向けて反射するミラー３００と、蛍光部材１０からの光を平行光束となるように結像するレンズ４００と、を備える。

図２〜図５に示すように、蛍光部材１０は、複数の蛍光体粒子１１と、無機バインダー１２と、を含み、光取出し面となる上面を有する。また、図５に示すように、蛍光部材１０は複数の空隙１３を含み、蛍光部材の上面と平行であり、且つ、蛍光体粒子１１及び空隙１３の双方を横切る一断面において、複数の空隙１３は、複数の蛍光体粒子１１のうちの少なくとも一つの蛍光体粒子１１の近傍に偏在している。

上記の蛍光部材１０によれば、蛍光体粒子１１からの光の横方向（図３における左右の方向）への広がりを低減しながら、蛍光部材の強度を確保することができる。以下、この点について説明する。

蛍光体粒子と無機バインダーとを含む蛍光部材が知られている。蛍光体粒子からの光は無機バインダーにおいて横方向に伝搬して広がるため、通常であれば上方から観測した場合の輝度はある程度低下してしまう。そこで、蛍光部材の内部に複数の空隙を設けて屈折率の異なる領域を増やして散乱させやくすることにより、蛍光体粒子からの光の伝搬を抑制することが考えられる。しかしながら、蛍光部材において、輝度を高くするために空隙の数を多くすると蛍光部材の強度が低下し、強度を確保するために空隙の数を少なくすると蛍光体粒子からの伝搬を低減しにくくなる。

そこで本実施形態では、蛍光体粒子１１に近い領域に複数の空隙１３を偏在させている。これにより、蛍光体粒子１１から遠く、空隙の少ない領域で蛍光部材１０の強度を確保しながら、蛍光体粒子１１に近く、空隙の多い領域で蛍光体粒子１１からの光の伝搬を防ぐことができる。したがって、輝度を高くしつつ、一定の強度を維持した蛍光部材１０とすることができる。

以下、発光装置１０００の構成要素について説明する。

（光学部品１００）
図２及び図３に示すように、光学部品１００は、基部５０と、基部５０の上面に接合された蛍光部材１０と、を含む。蛍光部材１０の下面には反射膜２０が設けられている。そして、反射膜２０の下面には拡散防止層３０が設けられており、拡散防止層３０の下面と基部５０の上面とが接合部材４０により接合されている。

（蛍光部材１０）
図３に示すように蛍光部材１０は、光取出し面となる上面と、上面と反対側に位置する下面と、上面と下面とをつなぐ側面と、を有する。蛍光部材１０は、複数の蛍光体粒子１１と、無機バインダー１２と、複数の空隙１３と、を含む。そして、図５に示すように、蛍光部材１０の上面と平行であり、且つ、蛍光体粒子１１及び空隙１３の双方を横切る一断面（以下「横断面Ｘ」という。）において、複数の空隙１３が蛍光体粒子１１の近傍に偏在している。これにより、蛍光部材１０において光の伝搬を抑制して輝度を高くすることができるため、空隙がない場合に比較して、コントラスト比の高い蛍光部材１０とすることができる。コントラスト比は、例えば、蛍光部材１０の上面における発光強度分布をみて、最大輝度と、そこから１ｍｍ離れた位置における輝度と、の比として認識できる。上述の「偏在」とは、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により蛍光体粒子１１が１０個明確に確認できるスケールで撮影した写真を観察して、少なくとも１つの蛍光体粒子１１において、蛍光体粒子１１の表面と、そこから離間距離が０．１μｍである線とで挟まれた領域における空隙１３の密度が、それよりも外側の領域における空隙１３の密度よりも高いことを指す。また、「蛍光部材１０の上面と平行」には、蛍光部材１０の上面に完全に平行なものはもちろんのこと、±１０度傾いているものも含まれることとする。また、蛍光部材１０の上面が微視的に見て粗面である場合は、横断面Ｘは、巨視的に見たときの蛍光部材１０の平坦な上面と平行な一断面とする。

複数の空隙１３は、蛍光部材１０の上面から深さ方向に設けてもよい。つまり、図４に示すように、蛍光部材１０の上面と垂直をなし、且つ、蛍光体粒子１１及び空隙１３の双方を横切る一断面（以下「縦断面Ｙ」という。）においても、複数の空隙１３が設けられていてもよい。また、蛍光部材１０の上面から内部に入る光の伝搬も抑制できることから、例えば、１０μｍ以上離れた複数の横断面Ｘにおいて、蛍光体粒子１１の近傍に複数の空隙１３が偏在していることが好ましい。

蛍光部材１０の形状は、蛍光部材１０を作製しやすいことから、一方向に長い直方体、又は立方体とすることができ、直方体とすることが好ましい。直方体である場合は、上方から見て、蛍光部材１０の左右方向の長さ（蛍光部材１０の幅であり図２の横方向の長さに該当する。）は１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましく、蛍光部材１０の上下方向の長さ（蛍光部材１０の奥行きであり、図２の縦方向の長さに該当する。）は２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。前述の下限値以上の長さとすることにより、励起光が照射される領域を変えることができ、前述の上限値以下の長さとすることにより必要以上に蛍光部材１０の面積が大きくなりすぎることを抑制することができる。

蛍光部材１０の厚み（図３の上下方向の長さ）は、５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にすることが好ましく、７０μｍ以上１３０μｍ以下の範囲内にすることがさらに好ましい。前述の下限値以上の厚みとすることにより励起光と蛍光との混色光の色度の調整がしやすくなり、前述の上限値以下の厚みとすることにより、発熱しやすい上面側の蛍光体粒子１１から基部５０までの距離を短くすることができるため、蛍光部材１０で生じる熱を基部５０に発散しやすくなる。

図１に示すように、蛍光部材１０において、蛍光体粒子１１を励起する励起光の入射面と蛍光体粒子１１からの蛍光を取り出す光取出面とは同じ面であり、且つ、その面に対して励起光が斜め方向から入射する光学部品１００であることが好ましい。このような光学部品１００は励起光が上方（真上）から取り出されにくいため、蛍光部材１０の上方から取り出される光において蛍光の色が強く励起光の色が弱くなりやすい。例えば励起光が青色であり、蛍光が黄色である場合は黄色の強い光が取り出されやすくなる。これに対して、蛍光部材１０によれば、励起光を空隙１３で散乱させることができるため、最終的に得られる混色光において励起光の色を増やすことができる。

（蛍光体粒子１１）
蛍光体粒子１１としては、例えば、ＹＡＧ（ＹｔｔｒｉｕｍＡｌｕｍｉｎｕｍＧａｒｎｅｔ）系蛍光体、ユウロピウム及び／又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム（ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２）蛍光体、ユウロピウムで賦活されたシリケート（（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４）蛍光体、αサイアロン蛍光体、βサイアロン蛍光体を用いることができる。中でも特に、ＹＡＧ系蛍光体を用いることが好ましい。ＹＡＧ系蛍光体は、比較的耐熱性の高い材料であるため、励起光による劣化を低減できるためである。ここで、ＹＡＧ系蛍光体には、例えばＹの少なくとも一部をＴｂに置換したものや、Ｙの少なくとも一部をＬｕに置換したものも含まれる。また、ＹＡＧ系蛍光体は、組成中にＧｄやＧａ等が含まれるものであってもよい。

蛍光体粒子１１の粒径は、例えば、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とすることが好ましく、３μｍ以上６μｍ以下の範囲内とすることがさらに好ましい。前述の下限値以上の粒径とすることにより空隙１３を設けやすくなり、前述の上限値以下の粒径とすることにより蛍光部材１０に蛍光体粒子１１を満遍なく配置しにくくなる。粒径の測定方法としては、例えば、蛍光体粒子が１０個写るスケールのＳＥＭ画像で、円形に近い形状の蛍光体粒子１１の最短と最長の平均を求めることにより測定することができる。

蛍光部材１０における蛍光体粒子１１は、４０質量％以上７０質量％以下の範囲内にあることが好ましく、４５％質量以上６０％質量以下の範囲内にあることがさらに好ましい。前述の下限値以上の質量％とすることにより、空隙１３を形成しやすくして蛍光体粒子１１の伝搬を抑制しやすくすることができる。また、前述の上限値以下の質量％とすることにより、無機バインダー１２の質量％を確保することができるため蛍光部材１０の強度の低下を抑制しやすくなり、且つ、蛍光体粒子１１が発する熱を発散しやすくなる。特に、蛍光体粒子１１を励起する励起光の入射面と蛍光体粒子１１からの蛍光を取り出す光取出面とは同じ面である光学部品１００においては、蛍光体粒子１１の質量％が低いと、蛍光部材１０に入射した光が蛍光体粒子１１に当たらずに反射膜２０に用いられる金属で吸収される可能性があるが、蛍光体粒子１１の質量を一定以上確保することにより金属で吸収される励起光を減らすことができる。

（無機バインダー１２）
無機バインダー１２は、蛍光体粒子１１を結着するものである。無機バインダー１２は、蛍光部材１０の熱膨張係数に近い熱膨張係数である材料からなることが好ましい。無機バインダー１２としては、酸化アルミニウム、酸化イットリウム等を用いることができる。

（空隙１３）
複数の空隙１３は蛍光体粒子１１の近傍に偏在して設けられる。空隙１３は、真空、大気等により構成される。

図５に示すように、横断面Ｘにおいて、複数の空隙１３の一部は蛍光体粒子１１に沿うように設けられていることが好ましい。これにより、蛍光体粒子１１からの光の伝搬を抑制しやすくすることができる。横断面Ｘにおいて、複数の空隙１３は蛍光体粒子１１の全周の１／２以上にわたって設けられることが好ましく、１／３以上にわたって設けられることがさらに好ましい。

空隙１３の屈折率は、無機バインダー１２の屈折率よりも低く、無機バインダー１２の屈折率は蛍光体粒子１１の屈折率よりも低いことが好ましい。これにより、空隙１３及び無機バインダー１２の界面と、無機バインダー１２及び蛍光体粒子１１の界面と、のそれぞれで励起光を全反射しやすくなるため、励起光を取り出しやすくすることができる。このとき、複数の空隙１３のうちの一部の空隙１３は、蛍光体粒子１１に直接接していることがさらに好ましい。空隙１３及び蛍光体粒子１１の屈折率差は、無機バインダー１２及び蛍光体粒子１１の屈折率差よりも大きいため、蛍光体粒子１１からの光の伝搬を抑制しやすくすることができる。

横断面Ｘにおいて、１つの空隙１３の面積は、１つの蛍光体粒子１１の面積よりも小さいことが好ましい。面積の小さい空隙１３が複数あることにより、蛍光部材１０の強度を保ちつつ、蛍光体粒子１１からの光を反射しやすくできるためである。面積は、例えば、ＳＥＭにより蛍光体粒子１１が１０個写るスケールで撮影した写真を観察して、すべての空隙１３が、すべての蛍光体粒子１１よりも小さいことをいう。空隙１３の面積は、例えば、０．０１μｍ^２以上２μｍ^２以下とする。

（反射膜２０）
蛍光部材１０の下面には、反射膜２０が設けられている。これにより、蛍光部材１０から下面に向かう光を上方に向けて反射することができる。

反射膜２０としては、金属膜及び誘電体膜の少なくとも一方を含むことができる。金属膜及び誘電体膜は、単層でも積層でもよい。金属膜としては、例えば、Ａｌ、Ａｇを用いることができる。また、誘電体膜としては、例えば、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ニオブを用いることができる。金属膜及び誘電体膜の双方を用いる場合は、蛍光部材１０の下面側から誘電体膜、金属膜をこの順に有することができる。

（拡散防止層３０）
反射膜２０が金属膜を含む場合は、反射膜２０の下面に拡散防止層３０が設けられることが好ましい。これにより、接合部材４０が金属膜に拡散することを低減することができる、拡散防止層３０としては、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、及びＴａの少なくも一種を含むものを用いることができる。

（接合部材４０）
接合部材４０は、蛍光部材１０と基部５０とを固定するものである。接合部材４０としては、例えば、ＡｕＳｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、などを主成分とする部材又は散乱材が入った樹脂を用いることができる。なかでも接合強度の高さから、ＡｕＳｎ等の共晶合金を用いることが好ましい。

（基部５０）
基部５０は、蛍光部材１０よりも熱伝導率が高い材料からなり、蛍光部材１０の下面と基部５０の上面とが接続されている。これにより、蛍光部材１０からの熱を基部５０に発散しやすくなるため、蛍光体粒子１１の劣化を低減することができる。反射膜２０と基部５０とが直接接合されている場合は、接合部材４０を介することなく蛍光部材１０と基部５０とは接合される。

基部５０は、金属及び拡散反射性のセラミックスの少なくとも一方を含む。金属としては、例えば、Ｃｕ、ＣｕＭｏ、ＣｕＷを用いることができ、光拡散性のセラミックスとしては例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウムを用いることができる。

基部５０の厚みは、例えば、１ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内にすることが好ましい。１ｍｍ以上とすることにより光学部品を取り扱いやすくなり、３ｍｍ以下とすることにより光学部品が大きくなりすぎることを防ぐことができる。

（保護膜６０）
蛍光部材１０の上面には保護膜６０を設けてもよい。保護膜６０としては、例えば、酸化ケイ素、酸化ニオブを用いる。

（光学部品１００の製造方法）
光学部品に含まれる蛍光部材１０は、例えば、以下の方法により作製することができる。

蛍光部材１０の製造方法は、蛍光体粒子１１とセラミックス粒子とを混合する工程と、蛍光体粒子１１の近傍に複数の空隙１３が偏在するようにセラミックス粒子を焼結して一体にすることにより、蛍光体粒子１１と無機バインダー１２と空隙１３とを有する蛍光部材１０を得る工程と、を含む。ここではさらに、蛍光部材１０を熱処理する工程と、蛍光部材１０をスライスする工程と、蛍光部材１０の上面を研磨・研削する工程と、を含む。なお、本明細書では、説明を簡便にするため、スライス又は個片化前の蛍光部材も、個片化した後の蛍光部材もまとめて「蛍光部材１０」という。以下で、蛍光部材１０の製造方法に含まれる各工程について説明する。

まず、蛍光体粒子１１と後に無機バインダー１２となるセラミックス粒子と、を混合する。このとき、セラミックス粒子として、蛍光体粒子１１の焼結温度よりも低い焼結温度のセラミックス粒子を用いる。これにより、蛍光体粒子１１の熱による劣化を低減しながらセラミックス粒子を焼結することができる。セラミックス粒子の粒径は、蛍光体粒子１１の粒径よりも小さいことが好ましい。これにより、蛍光体粒子１１との密着力が高くなりやすい。セラミックス粒子の粒径は、例えば、蛍光体粒子１１の１／１５以上１／２以下の範囲内にあることが好ましく、１／１２以上１／５の範囲内にあることがさらに好ましい。例えば、０．１μｍ以上２μｍ以下の範囲内とすることが好ましく、０．３μｍ以上１μｍ以下の範囲内とすることがさらに好ましい。前述の下限値以上の粒径とすることにより、安定的に作製することができ、前述の上限値以下の粒径とすることにより蛍光体粒子１１との密着力を確保することができる。

次に、セラミックス粒子を焼結して蛍光体粒子１１と一体にすることにより、蛍光体粒子１１と無機バインダー１２とを含む蛍光部材１０を得る。焼結する方法としては、例えば、放電プラズマ焼結（ＳｐａｒｋＰｌａｓｍａＳｉｎｔｅｒｎｉｎｇ、ＳＰＳ）法、ホットプレス（ＨＰ）法を用いることができる。このとき、蛍光部材１０の焼結密度が高くなりすぎないように、焼結温度及び時間を調整して焼結する。

セラミックス粒子を焼結する際に、セラミックス粒子は近くにある他のセラミックス粒子と結合しながら収縮する。このとき、蛍光体粒子１１から遠い領域においては、セラミックス粒子が周囲全体に満遍なくあるため、セラミックス粒子同士が結合しやすいが、蛍光体粒子１１の近傍領域においては蛍光体粒子１１の存在に起因してセラミックス粒子同士が結合しにくくなる。これにより、蛍光体粒子１１の近傍に空隙１３が偏在しやすくなると考えられる。

ここでの焼結温度及び時間は、セラミックス粒子の表面が焼結し、且つ、蛍光体粒子１１が焼結しない温度及び時間とする。例えば、蛍光体粒子１１としてＹＡＧ系蛍光体、セラミックス粒子として酸化アルミニウムを用い、ＳＰＳ法を用いて焼結する場合は、１２００度以上１５００度以下の範囲内の温度で、その温度での保持時間は1分以上２０分以下の範囲内の時間行うことが好ましい。

蛍光部材１０の焼結密度は、９０％以上９８％以下の範囲とすることが好ましく、９３．５％以上９６％以下の範囲とすることがさらに好ましい。前述の下限値以上とすることにより強度を確保しやすく、前述の上限値以下とすることにより焼結密度が比較的高いものと比較して輝度の低下を低減できるとともに光束を高くすることができる。光束を高くできる理由は、空隙１３があることにより蛍光部材１０の下面に近い側まで光が入りにくくなるため反射膜の金属等による光の吸収を低減することができるためであると考えられる。焼結密度の測定方法の一例として、アルキメデスの法則を利用したものを以下に示す。まず、秤で蛍光部材１０の重さＡを求める。次に、容器に入った水に蛍光部材１０を容器の底に触れないように入れ、水中で容器及び水を除く重さＢを求める。そして、重さＡを重さＢで除算し（Ｃ）、蛍光部材１０に含まれる蛍光体粒子１１及びセラミックス粒子の真比重（Ｄ）を求めて、ＣをＤで除算することにより、蛍光部材１０の焼結密度を求めることができる。

一般的に、ＳＰＳ法やＨＰ法に用いる焼結型には炭素が含まれるため、焼結する際に酸化物に浸炭して還元反応を生じさせやく、炭素での光の吸収が起こる。そこで、本実施形態では、ＳＰＳ法等によって得られる蛍光部材１０を最終的に酸化雰囲気で熱処理している。これにより、酸化物に含有された炭素を除去して欠損した酸素を戻すことができる。

熱処理する工程は、１２００度以上１４５０度以下の範囲内の温度で、1時間以上４０時間以下の範囲内の時間行うことが好ましい。前述の下限値以上とすることで無機バインダー１２に含まれる酸化物に酸素を戻しやすくなり、前述の上限値以下とすることで蛍光体粒子の劣化を防ぐことができる。

得られた蛍光部材１０はそのまま用いてもよいが、蛍光部材１０が所望の蛍光部材１０よりも厚い場合は、ワイヤー等を用いて、所定の厚みよりも少し厚くなるように蛍光部材１０をスライスする。この厚みの蛍光部材１０が複数得られるように、複数回スライスしてもよい。更に研磨・研削により所定の厚みになるまで加工してもよい。

次に、蛍光部材１０の下面に反射膜２０及び拡散防止層３０をスパッタ法等により形成する。次に、蛍光部材１０を所望の形状となるようにブレイド等により切断して個片化する。

次に、蛍光部材１０の下面と基部５０の上面との間に接合部材４０を配置して蛍光部材１０と基部５０とを固着する。このとき、接合部材４０としてＡｕＳｎ箔を用いて熱圧着することが好ましい。これにより、ＡｕＳｎはんだを用いる場合に比べて接合部材４０にボイドが形成されにくくなるため、蛍光部材１０で生じる熱を発散しやすくすることができる。

次に、蛍光部材１０を個片化する際に付着したごみを除去するために、蛍光部材１０の上面を洗浄する。洗浄する前に、蛍光部材１０の上面に励起光を照射して蛍光部材１０からの光の色度を測定することが好ましい。例えば、蛍光体粒子１１がＹＡＧ系蛍光体であって、測定により得られた色度が所望の色度よりも黄色寄りにずれている場合は、リン酸等による酸洗浄を行う。これにより、蛍光部材１０の表面の蛍光体粒子１１が削られやすくなるため、蛍光部材１０の色度を励起光の色寄りにして所望の色度に合わせることができる。測定により得られた色度が所定の色度の範囲内である場合は、超音波洗浄により蛍光部材１０の上面を洗浄する。

（光源２００）
光源２００としては、例えば、発光ダイオード素子や半導体レーザ素子を含む。特に半導体レーザ素子を含むことが好ましい。半導体レーザ素子は指向性に富む光であるため、蛍光部材１０を高輝度にできる効果が顕著となるためである。半導体レーザ素子は発光ダイオード素子に比べて出力が高く蛍光部材１０が発熱しやすいため、図１に示すような反射型の光学部品１００の使用に適している。光源２００は複数の半導体レーザ素子を含んでいてもよい。また、発光装置１０００は複数の光源２００を含んでいてもよい。

半導体レーザ素子又は発光ダイオード素子は可視領域の励起光を照射するものであることが好ましい。例えば、窒化物半導体を含み、発光ピーク波長が４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲にあるものを用いる。ここでは、図１に示すように、半導体レーザ素子からの励起光が蛍光部材１０の光取出し面に対して斜めから入射するように配置されている。斜めから入射する場合は、正反射方向に励起光が抜けやすくなるため、蛍光部材１０の上方から取り出される光は蛍光色の強い光になりやすい。光学部品１００によれば、空隙１３により励起光を反射させて取り出すことができるため、蛍光部材１０の上方から取り出される励起光の色を増やすことができる。

（ミラー３００）
ミラー３００は励起光を蛍光部材１０に向けて反射するものである。ミラー３００としては例えば、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ-ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）を用いることができる。これにより、光を走査しながら蛍光部材１０に励起光を照射することができる。

（レンズ４００）
蛍光部材１０からの光はレンズ４００を通って外部に出射される。レンズ４００としては、石英ガラスを用いることができる。蛍光部材１０からの光が広がりすぎるとレンズ４００に入射する光が減るが、蛍光部材１０によれば輝度を高くすることができるため、蛍光部材１０からの光をレンズ４００に入射させやすい。

＜実施形態２＞
図１０及び１１に示すように、実施形態２では、実施形態１とは、蛍光部材１０の下面に反射膜２０が設けられておらず、基部５０の上面に反射膜２０が設けられている点が異なる。また、蛍光部材１０の下面が少なくとも１つの凹部を有し、蛍光部材１０と基部５０とを透明接合部材４０ａで接続している点が異なる。それ以外については、実施形態１と同様である。

実施形態１のように、蛍光部材１０の下面に直接反射膜２０を成膜した場合、反射膜２０に含まれる金属が蛍光部材１０に向けてマイグレーションを起こすことがある。この場合、蛍光部材１０の内部に金属の一部が侵入して、蛍光部材１０からの光取出し量が低下してしまう。これは、蛍光部材１０に侵入した金属が、蛍光体粒子１１及び／又は無機バインダー１２を変色させてしまうためであると考えられる。また、蛍光部材１０に侵入した金属自体が光を吸収してしまうことも理由として考えられる。そこで、図１１に示すように、実施形態２に係る光学部品１００では、蛍光部材１０の下面ではなく、基部５０の上面に反射膜２０を設けるとともに、蛍光部材１０と基部５０とを透明接合部材４０ａで接続している。これにより、蛍光部材１０の下面には透明接合部材４０ａが配置されるため、透明接合部材４０ａの下方に配置される反射膜２０に含まれる金属が蛍光部材１０に向けてマイグレーションすることを抑制することができる。この結果、蛍光部材１０からの光取出し量の低下を抑制することができる。

実施形態２ではさらに、蛍光部材１０の下面が少なくとも１つの凹部を有する。蛍光部材１０は複数の空隙１３を有するため、蛍光部材１０の下面をスライス、研磨及び研削の１以上を用いて所定の厚みになるように加工したときに、１つの空隙１３の一部領域が蛍光部材１０の下面近傍に配置されることがある。この場合、複数の空隙１３を有する蛍光部材１０の下面には、少なくとも１つの凹部ができる。

蛍光部材１０の下面が凹部を有する場合において、蛍光部材１０の下面に直接反射膜２０を成膜した場合、蛍光部材１０の下面が凹部を有さない場合と比較して、反射膜２０に含まれる金属がマイグレーションをさらに起こしやすい。これにより、蛍光部材１０の内部に金属の一部が侵入して、蛍光部材１０の上方からの光取出し量が低下してしまう。そこで、実施形態２では、蛍光部材１０の下面ではなく、基部５０の上面に反射膜２０を設けるとともに、蛍光部材１０の下面の少なくとも１つの凹部が透明接合部材４０ａで充填されるようにして、蛍光部材１０と基部５０とを透明接合部材４０ａで接続している。これにより、透明接合部材４０ａの下方に配置される反射膜２０に含まれる金属が蛍光部材１０に向けてマイグレーションすることを抑制することができる。この結果、蛍光部材１０の上方からの光取出し量の低下を抑制することができる。

透明接合部材４０ａとしては、透明樹脂（シリコーン樹脂、エポキシ樹脂）、ガラス、セラミック等を用いることができる。中でも、シリコーン樹脂を用いることが好ましい。これにより、透明接合部材４０ａで凹部を充填しやすくすることができる。また、シリコーン樹脂は、樹脂の中では耐熱性及び光透過率が比較的高いため好ましい。なお、本実施形態では透明接合部材４０ａを用いて凹部を充填しているが、透明部材を凹部に充填して、接合部材を別に設けることもできる。

基部５０の上面に設けられる反射膜２０としては、実施形態１において蛍光部材１０の下面に設けることができる反射膜２０と同じ材料を用いることができる。なお、基部５０が反射性を有する場合には、基部５０の上面に反射膜２０を設けずに、蛍光部材１０と基部５０とを透明接合部材４０ａで接続してもよい。ここで、反射性を有するとは、蛍光部材１０で波長変換された光の８０％以上を基部５０が反射することをいう。このような反射性を有する反射膜２０としては、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕが挙げられる。

蛍光部材１０の下面の少なくとも１つの凹部の幅又は直径は、蛍光体粒子１１の粒径と同様である。

蛍光部材１０の下面に透明接合部材４０ａを配置した場合、透明接合部材４０ａの一部が蛍光部材１０の側面を這い上がり、蛍光部材１０の上面に回り込むことがある。この場合、蛍光部材１０の発光効率が低下してしまう。また、蛍光部材１０の信頼性も低下してしまう。そこで、図１２に示すように、基部の上面の一部を凸部として、基部の凸部の上面に、反射膜２０と、透明接合部材４０ａと、蛍光部材１０とを下方から順に配置することができる。これにより、透明接合部材４０ａは、重力の影響により蛍光部材１０の側面よりも、基部５０の凸部の側面へ進行しやすいため、透明接合部材４０ａの蛍光部材１０の上面への回り込みを抑制することができる。

＜実施例＞
以下の製造方法により光学部品を作製した。まず、粒径が５μｍのＹＡＧ蛍光体からなる蛍光体粒子１１と、粒径が０．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス粒子と、を５０質量％ずつ準備して混合した。次に、混合したものを、１３１０℃で１０分、ＳＰＳ法により加熱してセラミックス粒子を焼結した。得られた蛍光部材１０の焼結密度は、９３．７％であった。次に得られた蛍光部材１０を市販のワイヤーソーでスライスした。そして、蛍光部材１０の上面側から厚みが１００μｍになるまで研磨及び研削を行った。

次に、蛍光部材１０の下面に、Ａｌ（１μｍ）の反射膜２０、及び、第１層３１がＴｉ（０．２μｍ）、第２層３２がＰｔ（０．２μｍ）、第３層３３がＡｕ（０．５μｍ）の拡散防止層３０を、蛍光部材１０の下面に近い側から順に、スパッタ法により形成した。次に、上面側から見て、長手方向の長さが１２ｍｍ、短手方向の長さが３ｍｍとなるようにブレイドにより蛍光部材を個片化した。

次に、主成分がＣｕからなり、表面に２μｍのＮｉと１００ｎｍのＡｕめっきとが施された基部５０を準備した。基部５０は、上面から見て、長手方向の長さが３０ｍｍ、短手方向の長さが１２ｍｍであり、厚みが１．５ｍｍである。まず、基部５０を２５０度に加熱し、基部５０の上面と蛍光部材１０の下面との間にＡｕＳｎ箔（Ａｕ２２％、Ｓｎ７８％）を配置する。そして、ＡｕＳｎ箔を溶かしながら荷重をかけて２８０度まで加熱した。そして、２８０度到達後に２５０度まで冷却し接合を完了させた。このように熱圧着により、基部５０と蛍光部材１０と接合した。

次に、発光ピーク波長が４５０ｎｍのレーザ光を蛍光部材１０に照射して蛍光部材１０から上方に取り出される光の色度を測定した。そして、１３０度に加熱したりん酸溶液により蛍光部材１０の表面をエッチングすることで所望の色度を得た。

＜比較例＞
比較例は、１４５０℃で１５分焼結した以外は実施例と実質的に同様である。得られた蛍光部材の焼結密度は９９．５％であった。

実施例に係る蛍光部材１０について横断面ＸをＳＥＭにより観察した画像を図６に示し、比較例に係る蛍光部材について横断面をＳＥＭにより観察した画像を図７に示す。図６及び図７からわかるように、実施例に係る蛍光部材１０においては複数の空隙１３が蛍光体粒子１１の近傍に偏在しているのに対して、比較例に係る蛍光部材には空隙が存在しないことを確認した。実施例に係る蛍光部材１０は、焼結密度が高い比較例に係る蛍光部材と同様に、基部５０に蛍光部材１０を熱圧着する際に、蛍光部材１０の破損が起こらなかったことから、蛍光部材１０の強度を確保できていることが確認できた。

また実施例に係る蛍光部材１０の照度を測定したデータを図８に示し、比較例に係る蛍光部材の照度を測定したデータを図９に示す。ここでは、発光ピーク波長が４４５ｎｍのレーザ光を蛍光部材の上面に対して斜め方向から、上面視で蛍光部材の長手方向に沿うように照射し（図３の左側斜め上から照射し）、上面視で最も明るく発光している箇所を短手方向に横切る線上の照度を測定した。具体的には、蛍光部材の上方から取り出される光を、ＲａｄｉａｎｔＶｉｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ社製ＰｒｏＭｅｔｒｉｃ輝度計により測定した。図８及び図９に示すように、比較例に係る蛍光部材は照度のピークから±１ｍの範囲外でも一定以上発光しているのに対して、実施例に係る蛍光部材１０は照度のピークから±１ｍの範囲内で発光している。このことから、実施例に係る蛍光部材１０では、蛍光部材１０における伝搬を抑制できていることが確認できた。また、照度のピークから±１ｍの範囲内で比較した場合に、実施例に係る蛍光部材１０では、比較例に係る蛍光部材よりも照度が高くなっている。このことから、実施例に係る蛍光部材１０は比較例に係る蛍光部材よりも高輝度であることが確認できた。

実施形態に記載の蛍光部材は、プロジェクター、照明、車両用灯具等に使用することができる。

１０…蛍光部材
１１…蛍光体粒子
１２…無機バインダー
１３…空隙
２０…反射膜
３０…拡散防止層
３１…第１層
３２…第２層
３３…第３層
４０…接合部材
４０ａ…透明接合部材
５０…基部
６０…保護膜
１００…光学部品
２００…光源
３００…ミラー
４００…レンズ
１０００…発光装置

Claims

複数の蛍光体粒子と、無機バインダーとを含み、光取出し面となる上面を有する蛍光部材であって、
前記蛍光部材は複数の空隙を含み、
前記上面と平行であり、且つ、前記蛍光体粒子及び前記空隙の双方を横切る一断面において、前記複数の空隙は、前記複数の蛍光体粒子のうちの少なくとも一つの蛍光体粒子に沿うように設けられて該蛍光体粒子の近傍に偏在し、
前記複数の空隙のうちの一部の空隙は、前記蛍光体粒子に直接接していることを特徴とする蛍光部材。
前記無機バインダーは焼結体である請求項１に記載の蛍光部材。
前記空隙の屈折率は、前記無機バインダーの屈折率よりも低く、
前記無機バインダーの屈折率は、前記蛍光体粒子の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の蛍光部材。
前記蛍光部材における前記蛍光体粒子は４０質量％以上７０質量％以下の範囲にあり、
前記蛍光部材において、前記蛍光体粒子を励起する励起光の入射面と前記光取出し面となる上面とは同じ面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蛍光部材。
前記蛍光体粒子の粒径は、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の蛍光部材。
前記蛍光部材の焼結密度は、９０％以上９８％以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蛍光部材。
前記複数の空隙は、前記蛍光体粒子の全周の１／３以上にわたって設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の蛍光部材。
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の蛍光部材であって、前記上面と反対側に位置する下面を有する蛍光部材と、
前記蛍光部材の下面と接続され、前記蛍光部材よりも熱伝導率が高い基部とを備えることを特徴とする光学部品。
前記基部は、金属及び拡散反射性のセラミックスの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項８に記載の光学部品。
前記基部は、反射性を備えた上面を有し、
前記蛍光部材の下面と前記基部の上面とは透明接合部材で接続されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の光学部品。
前記基部の上面は、反射膜が成膜されていることを特徴とする請求項１０に記載の光学部品。
前記蛍光部材の下面は、少なくとも１つの凹部を有し、
前記少なくとも１つの凹部が前記透明接合部材で充填されており、前記蛍光部材の下面と前記基部の上面とが前記透明接合部材で接続されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光学部品。
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の蛍光部材、又は、請求項７〜請求項１１のいずれか１項に記載の光学部品と、
前記蛍光部材に対して可視領域の励起光を照射する半導体レーザ素子と、を備え、
前記半導体レーザ素子は、前記励起光が前記蛍光部材の上面に対して斜めから入射するように配置されている発光装置。
前記半導体レーザ素子からの前記励起光を、前記蛍光部材の上面に向けて反射するミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の発光装置。