JP6827119B2 - 白色光発生素子および照明装置 - Google Patents
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Description
波長280nm以上、495nm以下のレーザー光を励起光とし、白色光を発生させる白色光発生素子であって,
前記励起光の波長よりも長波長の蛍光を発生する蛍光体であって、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する蛍光体を備えており、
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、
前記蛍光体の前記外周面が前記蛍光体の全周にわたって前記蛍光体の中心軸に対して3.4°以上、23°以下傾斜している傾斜部分を含んでおり、かつ
前記出射側端面の面積が0.3mm2以上、1.52mm2以下であり、
前記蛍光体の横断面形状が台形であり、
前記蛍光体の前記外周面が、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おり、
前記蛍光体の前記外周面を全周にわたって被覆する反射膜を備えており、
前記蛍光体の前記外周面と前記反射膜の間に前記蛍光体を被覆する低屈折率層を備えていることを特徴とする。
白色光発生素子1の支持基板15には突起15aが複数設けられており、突起15aの間に溝16が設けられている。そして、突起15aの表面15b上には、底面側反射膜4a、接合層18、底面側低屈折率層3a、蛍光体2が設けられている。
まず、中心軸に対して傾斜する傾斜部分を蛍光体の外周面に設けない場合について述べる。図6はこの形態に係るものである。
低屈折率層は、蛍光体16の屈折率よりも小さく、数値が小さいほど全反射条件を満足できる前記の入射角を小さくでき全反射しやすくなる。このことから低屈折率を空気とする場合は、あえて反射膜を設けなくても取出し効率を向上することができる。
蛍光の波長は500〜800nmとすることが好ましい。
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、蛍光体の厚み方向に傾斜角度(α2a+α2b)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、蛍光体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、蛍光体の厚み方向に向かって伝搬するようになるので、蛍光体の幅方向において角度θの傾斜が小さい場合でも、厚み方向の傾斜との組み合わせで出射側に伝搬するようにでき、出射光量を増大できる。
本例では、蛍光体粒子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、蛍光体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、出射側端面に伝搬光として高効率に出射することができ、同じく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。
さらに、出射側端面に蛍光および励起光に対して無反射となる膜を形成してもよい。
蛍光体は励起光から蛍光に変換するときに変換損失に伴う発熱が起こり、この発熱により蛍光体自身の温度が上昇すると、変換効率の低下に至り、励起光量と蛍光量のバランスが変化して色むらの原因となる。また、反射膜に吸収されて反射膜が発熱し、これによって蛍光体の温度が上昇して同様に光特性が変化する場合がある。
放熱基板15としては、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、シリコン、窒化珪素、タングステン、銅タングステン、酸化マグネシウムなどを例示することができる。
図1〜図3に示すような形態の蛍光体素子1を作製した。
具体的には、厚み1mm、4インチウエハーの窒化アルミニウムからなる放熱基板15上に、スパッタリングにて、Al2O3からなる剥離防止膜(図示せず)を0.2μm、Alからなる反射膜を0.5μm成膜した。次に、Al2O3からなる接合層を0.3μm成膜した。また、波長560nmでの厚み1mmあたり直線透過率50%のCeをドープしたYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)多結晶からなる厚み1mm、4インチ蛍光体ウエハー上にAl2O3からなる低屈折率酸化膜(低屈折率層)を厚さ0.3μm成膜した。さらに、両者をAl2O3層同士でイオンガンによる常温直接接合にて貼り合わせを行った。
成膜後、複合ウエハーをダイシングにて幅200μm、#4000のブレードにて蛍光体長2mmのバー状に切断し、両端面を光学研磨した。その後、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波長450nmでは無反射、蛍光である波長560nm帯では全反射となるダイクロイック膜を成膜した。
最後に、成膜後の切断で使用したブレードを使用して幅1mmにチップ切断をして、各例の白色光発生素子を作製した。
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。
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。
実験Aと同様にして、表3に示す各例の素子を製造した。ただし、本例では、図9〜図11に示すように、蛍光体の側面の底面の法線に対する角度βを、表3に示すように変更した。この際には、蛍光体の加工を、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にて溝を2本加工して、台形形状のリッジ導波路を形成した。各例の素子について、白色光出力と色ムラ面内分布を測定し、表3に示した。
Claims (9)
- 波長280nm以上、495nm以下のレーザー光を励起光とし、白色光を発生させる白色光発生素子であって,
前記励起光の波長よりも長波長の蛍光を発生する蛍光体であって、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する蛍光体を備えており、
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、
前記蛍光体の前記外周面が前記蛍光体の全周にわたって前記蛍光体の中心軸に対して3.4°以上、23°以下傾斜している傾斜部分を含んでおり、かつ
前記出射側端面の面積が0.3mm2以上、1.52mm2以下であり、
前記蛍光体の横断面形状が台形であり、
前記蛍光体の前記外周面が、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おり、
前記蛍光体の前記外周面を全周にわたって被覆する反射膜を備えており、
前記蛍光体の前記外周面と前記反射膜の間に前記蛍光体を被覆する低屈折率層を備えていることを特徴とする、白色光発生素子。 - 前記蛍光体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記載の素子。
- 前記蛍光体の前記上面の幅が、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1または2記載の素子。
- 前記蛍光体の厚さが、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1〜3のいずれか一つの請求項に記載の素子。
- 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1〜4のいずれか一つの請求項に記載の素子。
- 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1〜5のいずれか一つの請求項に記載の素子。
- 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1〜5のいずれか一つの請求項に記載の素子。
- 前記蛍光体を支持する放熱基板を備え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。
- 励起光を発振する光源および白色光発生素子を備える照明装置であって、
前記白色光発生素子が、請求項1〜8のいずれか一つの請求項に記載の白色光発生素子であることを特徴とする、照明装置。
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