(57)【要約】【課題】波長変換部材に高い励起エネルギーを有する励起光が照射された場合であっても、波長変換部材の温度上昇が抑制されると共に、長期間にわたって高い発光効率が得られる蛍光光源装置を提供することにある。【解決手段】蛍光光源装置は、基板上に設けられた、励起光により蛍光を出射する波長変換部材を備え、少なくとも前記波長変換部材の励起光入射面に沿って、光透過性を有する液体冷媒を流通する液体冷媒流通機構が設けられており、前記波長変換部材には、前記励起光入射面を被覆する、光透過性材料よりなる被覆層が設けられていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた、励起光により蛍光を出射する波長変換部材を備えた蛍光光源装置において、
少なくとも前記波長変換部材の励起光入射面に沿って、光透過性を有する液体冷媒を流通する液体冷媒流通機構が設けられており、
前記波長変換部材には、前記励起光入射面を被覆する、光透過性材料よりなる被覆層が設けられていることを特徴とする蛍光光源装置。
【請求項２】
前記被覆層は、表面に凹凸構造が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光により蛍光を出射する波長変換部材を備えた蛍光光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蛍光光源装置としては、レーザ光を励起光とし、その励起光により蛍光を放射する波長変換部材を発光源として備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
このような蛍光光源装置の波長変換部材においては、励起光の照射によって発生する熱により、特に励起光入射面が加熱されるなどして蛍光体が高温となり、それに起因して温度消光が生じて、励起光の蛍光への変換効率が低下する、という問題がある。
このような問題は、励起光の入射パワー（励起光の励起エネルギー）を大きくした場合に顕著となる。
【０００３】
而して、蛍光光源装置においては、波長変換部材を冷却することが行われている（例えば、特許文献２参照。）。
具体的に、特許文献２には、波長変換部材の励起光入射面に冷却風を吹き付けることによって当該波長変換部材を冷却する技術が開示されている。
しかしながら、冷却風を励起光入射面に吹き付けることによっては、特に励起光の入射パワーが大きい場合には、波長変換部材を十分に冷却することができない。
【０００４】
一方、ＬＥＤチップや半導体レーザを発光源とする光源装置においては、液体冷媒を用いて当該発光源を冷却する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
そこで、発明者らは、蛍光光源装置において、発光源である波長変換部材を、水などの液体媒体を用いて冷却することを検討したが、問題があることが明らかとなった。
具体的に説明すると、特に加熱される励起光入射面を十分に冷却するために、波長変換部材の一部または全部を液体冷媒に浸漬した場合には、当該波長変換部材における液体冷媒に浸漬した部分の表面近傍の蛍光体の付活材が酸化され、発光強度が低下する。特に波長変換部材に微小クラックがある場合には、液体冷媒の侵入によって当該微小クラックが次第に成長し、大きなクラックになってしまう。そして、そのクラックから液体冷媒が、波長変換部材の内部に更に浸入することにより、新たな界面が形成され、非発光層が発生する。しかも、クラックへの液体冷媒の侵入によって、前記界面の蛍光体の付活材に酸化が生じ、更に発光強度が低下する。
特に液体冷媒が水である場合には、特に蛍光体の付活材が酸化されやすく、それに起因して蛍光体において付活材の価数や結晶構造に変化が生じやすい。
そのため、波長変換部材においては、経時的に励起光の取り込み効率が低下し、それに起因して蛍光の発生量が低下する。その結果、経時的に発光効率が低下する、という問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１９８５６０号公報
【特許文献２】特開２０１２−１９９２５８号公報
【特許文献３】特許第３７５３１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、波長変換部材に高い励起エネルギーを有する励起光が照射された場合であっても、波長変換部材の温度上昇が抑制されると共に、長期間にわたって高い発光効率が得られる蛍光光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の蛍光光源装置は、基板上に設けられた、励起光により蛍光を出射する波長変換部材を備えた蛍光光源装置において、
少なくとも前記波長変換部材の励起光入射面に沿って、光透過性を有する液体冷媒を流通する液体冷媒流通機構が設けられており、
前記波長変換部材には、前記励起光入射面を被覆する、光透過性材料よりなる被覆層が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の蛍光光源装置においては、前記被覆層は、表面に凹凸構造が形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の蛍光光源装置においては、液体冷媒流通機構が設けられており、励起光の照射によって発生する熱によって特に加熱される励起光入射面が液体冷媒によって優先的に冷却されることから、当該波長変換部材を効率的に冷却することができる。しかも、励起光入射面には被覆層が設けられていることから、液体冷媒を励起光入射面に沿って流通しても、波長変換部材が液体冷媒と接触することによって経時的に劣化し、それに起因して発光効率が低下することを防止または抑制することができる。
従って、本発明の蛍光光源装置によれば、波長変換部材に高い励起エネルギーを有する励起光が照射された場合であっても、波長変換部材の温度上昇が抑制されると共に、長期間にわたって高い発光効率が得られる。
【００１０】
本発明の蛍光光源装置においては、被覆層を表面に凹凸構造が形成されたものとすることにより、当該被覆層を介して励起光を波長変換部材の内部に十分に取り込むことができ、また当該被覆層を介して波長変換部材の内部において生成された蛍光を高い効率で外部に出射することができる。しかも、波長変換部材の内部において生成された蛍光が当該内部に閉じ込められることに起因して波長変換部材が加熱されることが抑制される。その結果、波長変換部材の温度上昇がより一層抑制されると共に、より高い発光効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す説明図である。
【図２】図１の本発明の蛍光光源装置における蛍光発光部材および液体冷媒流通機構の構成を示す説明図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線の断面図である。
【図４】図１の蛍光光源装置における蛍光発光部材の構成を拡大して示す説明用拡大断面図である。
【図５】本発明の蛍光光源装置における蛍光発光部材の構成の他の例を示す説明用拡大断面図である。
【図６】本発明の蛍光光源装置における蛍光発光部材の構成の更に他の例を示す説明用拡大断面図である。
【図７】本発明の蛍光光源装置における液体冷媒流通機構の構成の他の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の蛍光光源装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す説明図であり、図２は、図１の本発明の蛍光光源装置における蛍光発光部材および液体冷媒流通機構の構成を示す説明図であり、図３は、図１のＡ−Ａ線の断面図である。また、図４は、図１の蛍光光源装置における蛍光発光部材の構成を拡大して示す説明用拡大断面図である。
この蛍光光源装置１０は、図１に示すように、例えば青色領域の光を出射する半導体レーザ１１と、この半導体レーザ１１に対向して配置された、当該半導体レーザ１１から出射されるレーザ光である励起光Ｌによって励起されて蛍光Ｌ１を出射する波長変換部材を有する蛍光発光部材２０とを備えている。この蛍光発光部材２０は、図２および図３に示すように、支持部材４１によって支持されており、その支持部材４１には、半球状の励起光集光レンズ１８が、半導体レーザ１１と蛍光発光部材２０との間に位置するように配設されており、また液体冷媒を流通させるための液体冷媒流通路が設けられている。
半導体レーザ１１と蛍光発光部材２０との間における当該半導体レーザ１１に接近した位置には、半導体レーザ１１から入射された励起光Ｌを平行光線として出射するコリメータレンズ１５が配置されている。また、コリメータレンズ１５と蛍光発光部材２０との間には、半導体レーザ１１からの励起光Ｌを透過すると共に蛍光発光部材２０における波長変換部材からの蛍光Ｌ１を反射するダイクロイックミラー１６が、コリメータレンズ１５の光軸に対して例えば４５°の角度で傾斜した姿勢で配置されている。
【００１３】
蛍光発光部材２０は、図４に示すように、略矩形平板上の基板３１の表面（図４における上面）に形成された矩形状の波長変換部材用凹部３２に、略矩形状の蛍光部材２２よりなる波長変換部材が設けられたものである。波長変換部材用凹部３２は、その縦横寸法が、蛍光部材２２の縦横寸法よりも大きく、凹み深さが蛍光部材２２の厚み（図４における上下方向の寸法）よりわずかに大きいものである。
この蛍光発光部材２０は、蛍光部材２２の表面（図４における上面）が、励起光集光レンズ１８、ダイクロイックミラー１６およびコリメータレンズ１５を介して半導体レーザ１１に対向するように配置されている。そして、蛍光部材２２の表面は、波長変換部材の励起光入射面とされていると共に、当該波長変換部材の蛍光出射面とされている。
また、蛍光部材２２の裏面（図４における下面）および側面の各々には、光反射膜（図示省略）が設けられている。光反射膜としては、例えば増反射アルミニウム膜、または、銀層、増反射銀膜等とニッケル層とよりなる多層膜などが用いられる。蛍光部材２２の裏面に設けられた光反射膜と波長変換部材用凹部３２の底壁との間には、接合部材（図示省略）が介在されており、当該接合部材によって蛍光部材２２が基板３１上に接合されている。接合部材としては、排熱性の観点から、半田、銀焼結材などが用いられる。また、蛍光部材２２の側面に設けられた光反射膜と波長変換部材用凹部３２の側壁との間に形成された矩形環状の空間には、保護部材２３が充填されている。この保護部材２３は、波長変換部材の側面、すなわち蛍光部材２２の側面が冷却媒体と接触することを防止するためのものであり、液体冷媒侵入防止機能を有している。また、保護部材２３を高い拡散反射機能を有するものとすることにより、波長変換部材の内部において生成された蛍光が蛍光出射面からより取り出しやすくなる。保護部材２３としては、液体冷媒に対する不透過性、蛍光部材２２との密着性および高拡散反射性の観点から、例えば酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等のセラミックなどが用いられる。
【００１４】
蛍光部材２２は、蛍光体が含有されてなるものであり、具体的には、単結晶または多結晶の蛍光体よりなるもの、または単結晶または多結晶の蛍光体とセラミックバインダーとの混合物の焼結体よりなるものである。すなわち、蛍光部材２２は、単結晶または多結晶の蛍光体によって構成されたものである。
ここに、蛍光部材２２として用いられる蛍光体とセラミックバインダーとの混合物の焼結体においては、セラミックバインダーとしてナノサイズのアルミナ粒子が用いられる。そして、この焼結体は、蛍光体１００質量％に対して数質量％〜数十質量％のセラミックバインダーを混合し、その混合物をプレスした後、焼成することによって得られるものである。
【００１５】
蛍光部材２２を構成する単結晶の蛍光体は、例えば、チョクラルスキー法によって得ることができる。具体的には、坩堝内において種子結晶を溶融された原料に接触させ、この状態で、種子結晶を回転させながら鉛直方向に引き上げて当該種子結晶に単結晶を成長させることにより、単結晶の蛍光体が得られる。
また、蛍光部材２２を構成する多結晶の蛍光体は、例えば以下のようにして得ることができる。先ず、母材、付活材および焼成助剤などの原材料をボールミルなどによって粉砕処理することによって、サブミクロン以下の原材料微粒子を得る。次いで、この原材料微粒子を例えばスリップキャスト法によって焼結する。その後、得られた焼結体に対して熱間等方圧加圧加工を施すことによって、気孔率が例えば０．５％以下の多結晶の蛍光体が得られる。
【００１６】
蛍光部材２２を構成する蛍光体の具体例としては、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｓｍ、ＬｕＡＧ：Ｃｅなどが挙げられる。このような蛍光体において、希土類元素（付活材）のドープ量は、０．５ｍｏｌ％程度である。
【００１７】
また、蛍光部材２２の厚みは、励起光Ｌの蛍光Ｌ１への変換効率および排熱性の観点から、例えば０．０５〜２．０ｍｍである。
【００１８】
そして、波長変換部材には、図４に示されているように、励起光入射面、すなわち蛍光部材２２の表面に、当該励起光入射面の全面を覆うように、被覆層２５が設けられている。この被覆層２５は、表面（図４における上面）が平坦なものである。
被覆層２５は、励起光入射面が液体冷媒と接触することを抑制または防止する機能を有するものである。
被覆層２５が設けられていることにより、波長変換部材が液体冷媒と接触することによって劣化することに起因して、経時的に励起光の取り込み効率が低下し、因って蛍光の発生量が低下することを防止または抑制することができる。
【００１９】
被覆層２５は、光透過性材料よりなるものであり、励起光Ｌおよび蛍光Ｌ１に対する光透過性を有している。
この被覆層２５は、励起光入射面が液体冷媒と接触することを防止する観点からは、液体冷媒に対する不透過性を有するものであることが好ましい。
【００２０】
被覆層２５を構成する光透過性材料は、波長変換部材において、蛍光部材２２を構成する蛍光体を励起するエネルギーが約５Ｗ／ｍｍ2 以上の励起密度を有することから、無機材料であることが好ましい。
また、被覆層２５を構成する光透過性材料は、当該被覆層２５の表面から蛍光Ｌ１を高い効率で外部に出射させる観点からは、波長変換部材、すなわち蛍光部材２２の屈折率よりも高屈折率を有するものであることが好ましい。また、被覆層２５の放熱性の観点からは、高い熱伝導性を有するものであることが好ましく、被覆層２５の液体冷媒に対する不透過性の観点からは、液体冷媒に対する耐性を有するものであることが好ましい。更に、被覆層２５の励起光入射面との密着性の観点からは、波長変換部材、すなわち蛍光部材２２と同等の熱膨張係数を有するものであることが好ましい。
【００２１】
被覆層２５を構成する光透過性材料としては、具体的には、シリカ（ＳｉＯ2 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2 ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2 ）、酸化タングステン（ＷＯ3 ）、酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）、酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、酸化ニオブ（Ｎｂ2 Ｏ5 ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの金属酸化物、これらの金属酸化物による複合酸化物、およびジルコニア（ＺｒＯ2 ）と酸化チタン（ＴｉＯ2 ）との混合物などが挙げられる。
これらのうちでは、蛍光体（ＬｕＡＧ、ＹＡＧ）の熱膨張係数（６×１０-6〜８×１０-6／Ｋ）に近似した熱膨張係数を有するものであることからは、ジルコニア（熱膨張係数１０．５×１０-6／Ｋ）、酸化インジウムスズ（熱膨張係数６．８×１０-6／Ｋ）および酸化チタン（熱膨張係数７．９×１０-6／Ｋ）が好ましい。特に、ジルコニアは、吸収係数が小さい（具体的には、１３ｃｍ-1（波長５５０ｎｍの光に関する吸収係数））ことから更に好ましい。また、蛍光体（ＬｕＡＧ、ＹＡＧ）の屈折率（１．８５）よりも高屈折率を有するものであることからは、チタニア（屈折率２．０〜２．３５）、ジルコニア（屈折率１．８〜２．１５）が好ましい。また、液体冷媒に対する耐性を有するものであることからは、ジルコニアが好ましい。
【００２２】
被覆層２５の具体例としては、ゾルゲル膜、セラミック膜および蒸着膜などが挙げられる。
ここに、ゾルゲル膜よりなる被覆層２５は、例えば、珪素、チタン、ジルコニウムなどのアルコキシドを含むゾル状の材料を、励起光入射面に塗布し、例えばスピンコート法によってコートし、その後、２００〜５００℃に加熱することによってシリカ、チタニア、ジルコニア等の膜を得ることにより、製造することができる。
また、セラミック膜よりなる被覆層２５は、例えば、ジルコニア、チタニア、酸化イットリウム、酸化亜鉛、アルミナ、酸化マグネシウム、または複合酸化物のナノ微粒子を含んだスラリーを励光入射面に塗布、またはスピンコートによってコートし、スラリーの有機溶剤を乾燥させた後、窒素雰囲気中で１５０〜５００℃で加熱することによって膜を得ることにより、製造することができる。
また、蒸着膜よりなる被覆層２５は、例えば、スパッタ装置を用い、シリカ、ジルコニア、チタニア、酸化亜鉛、アルミナ、酸化マグネシウムなどをターゲット物質とし、不活性ガスおよび酸素ガスを流通させながら、当該ターゲットに高周波電圧をかけることによって励起光入射面にスパッタ膜を形成することにより、製造することができる。この製造方法によれば、高周波電圧が２５０Ｗ、不活性ガスとしてのアルゴンガスの流量が２０ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量が０．５ｓｃｃｍの形成条件で、成形時間を４時間とすることにより、厚みが６００ｎｍ程度（具体的には５５０ｎｍ）のスパッタ膜よりなる被覆層２５を得ることができる。
【００２３】
また、被覆層２５の厚みは、例えば２００〜２０００ｎｍとされ、好ましくは４００〜６００ｎｍである。
【００２４】
そして、蛍光光源装置１０には、少なくとも励起光入射面に沿って液体冷媒を流通する液体冷媒流通機構が設けられている。
この液体冷媒流通機構は、支持部材４１に設けられた液体冷媒流通路と、この液体冷媒流通路に液体冷媒を流通させるための液体冷媒流通手段とよりなるものである。
この図の例において、液体冷媒流通手段は、液体冷媒流通路に接続された液体冷媒循環路（図示省略）を備えたものである。そして、液体冷媒循環路には、液体冷媒を循環させるための電動ポンプと、ラジエーターと、当該ラジエーターを空気によって冷却するためのファンモーターとが設けられている。
【００２５】
支持部材４１は、図２および図３に示すように、例えばアルミニウムなどの金属よりなり、略矩形平板状の外観形状を有するものであり、その内部には、当該支持部材４１の厚み方向（図２および図３における上下方向）に垂直な方向に伸びる貫通孔４２が形成されている。この貫通孔４２は、貫通方向に垂直な方向の断面形状が略矩形状であり、大きな幅（図２における左右方向の寸法）を有する上側部４２Ａと、この上側部４２Ａよりも小さい幅を有する下側部４２Ｂとよりなるものである。また、貫通孔４２の両側壁には、上側部４２Ａと下側部４２Ｂとによって段差４３，４３が形成されている。そして、貫通孔４２内には、蛍光発光部材２０が、段差４３，４３によって支持され、励起光入射面が支持部材４１の表面（図２および図３における上面）と平行となるよう、貫通方向の中心部に配設されている。この貫通孔４２内において、蛍光発光部材２０は、蛍光発光部材２０の表面の全面が上側部４２Ａを臨み、蛍光発光部材２０の裏面における段差４３，４３と接触している領域以外の領域が下側部４２Ｂを臨むように位置している。
また、支持部材４１の表面の中央部、すなわち蛍光発光部材２０の直上位置には、貫通孔４２に連通し、励起光集光レンズ１８の底面部と同等の形状および寸法を有する開口部４５が形成されており、この開口部４５には、励起光集光レンズ１８が配設されている。
このように、液体冷媒流通路は貫通孔４２によって構成されており、励起光入射面を含む蛍光発光部材２０の表面と、この蛍光発光部材２０の裏面とに沿って液体冷媒を流通させるものである。この液体冷媒流通路は、上側部４２Ａにおける蛍光発光部材２０の表面上に位置し、当該表面に沿って液体冷媒が流通する表面流通部分と、下側部４２Ｂにおける蛍光発光部材２０の裏面下に位置し、当該裏面に沿って液体冷媒が流通する裏面流通部分とを有している。
この図の例において、貫通孔４２は、支持部材４１の厚み方向に垂直な一方向（図２における紙面に垂直な方向であって図３における左方向）に、当該支持部材４１の表面に沿って直線状に伸びている。ここに、図３においては、矢印によって液体冷媒の流動方向を示している。また、貫通孔４２において、上側部４２Ａの幅は、蛍光発光部材２０と同等の幅を有しており、上側部４２Ａにおける両側壁と蛍光発光部材２０の側面とは接触している。
【００２６】
液体冷媒としては、励起光Ｌおよび蛍光Ｌ１に対する光透過性を有するものが用いられる。
また、液体冷媒は、熱輸送性の観点からは、粘度の低いものであることが好ましい。具体的には、温度３０℃における粘度が０．５ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましく、あるいは温度１００℃における粘度が１．５ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましい。
液体冷媒の温度３０℃における粘度が０．５ｍＰａ・ｓ以下であること、あるいは液体冷媒の温度１００℃における粘度が１．５ｍＰａ・ｓ以下であることにより、波長変換部材の温度を、温度消光によって励起光Ｌの蛍光Ｌ１への変換効率が極端に低下することとなる温度以下、具体的には２００℃以下とすることができる。
【００２７】
液体冷媒の具体例としては、水、並びにアルキルジフェニール系不活性液体およびフッ素系不活性液体等の不活性液体などが挙げられる。
【００２８】
液体冷媒流通路に対する冷却媒体の供給条件は、例えば液体冷媒の種類、励起光入射面の面積、被覆層２５の厚み、液体冷媒流通路における表面流通部分および裏面流通部分の厚み（図２および図３における上下方向の寸法）、励起光Ｌの励起エネルギーなどに応じて適宜に定められるが、例えば流速が３ｍ／ｓである。
【００２９】
基板３１は、排熱性を有するものである。そして、この基板３１は、排熱性の観点から、波長変換部材、すなわち蛍光部材２２が配設される表面が、当該波長変換部材の裏面よりも縦横寸法が大きくて、大きな面積を有する大きさとされる。また、基板３１の厚みは、例えば０．５〜１．０ｍｍである。
基板３１を構成する材料としては、銅、モリブデンと銅の合金（Ｍｏ−Ｃｕ）およびタングステンと銅の合金（Ｗ−Ｃｕ）などを用いることができる。
【００３０】
上記の蛍光光源装置１０においては、半導体レーザ１１から出射された青色領域のレーザ光である励起光Ｌは、コリメータレンズ１５によって平行光線とされる。その後、この励起光Ｌは、ダイクロイックミラー１６を透過し、励起光集光レンズ１８によって集光されて、被覆層２５を介して、蛍光発光部材２０における波長変換部材の励起光入射面、すなわち蛍光部材２２の表面に対して略垂直に照射される。そして、蛍光部材２２においては、当該蛍光部材２２を構成する蛍光体が励起され、蛍光Ｌ１が放射される。この蛍光Ｌ１は、波長変換部材の蛍光出射面、すなわち蛍光部材２２の表面から出射され、ダイクロイックミラー１６によって垂直方向に反射された後、蛍光光源装置１０の外部に出射される。
【００３１】
この蛍光光源装置１０においては、励起光Ｌの照射によって発生する熱によって、波長変換部材、特に励起光入射面が加熱されるが、液体冷媒流通機構によって蛍光発光部材２０の表面および裏面に沿って液体冷媒が流通されることにより、波長変換部材が冷却される。しかも、特に加熱される励起光入射面に沿って液体冷媒が流通されており、当該励起光入射面を厚みの小さい被覆層２５を介して液体冷媒によって冷却することができるため、波長変換部材を効率的に冷却することができる。
ここに、液体冷媒流通機構による波長変換部材の冷却過程について説明する。
波長変換部材において励起光Ｌの照射によって発生した熱は、基板３１に伝導されると共に、液体冷媒流通路を流通する液体冷媒に、励起光入射面から被覆層２５を介して伝導される。また、基板３１に伝導された熱は、基板３１の表面、裏面および側面における液体冷媒と接触した領域から液体冷媒に伝導される。このように、波長変換部材の熱が、被覆層２５または基板３１を介して液体冷媒に伝導されることにより、当該波長変換部材は液体冷媒によって冷却される。一方、波長変換部材からの熱が伝導されて高温となった液体冷媒は、液体冷媒循環路を介してラジエーターに送られ、このラジエーターにおいて、液体冷媒の熱がファンモーターからの冷却用空気の作用によって効率的に放熱される。そして、冷却されて温度の下がった液体冷媒は、液体冷媒循環路を介して再び液体冷媒流通路に供給される。
また、蛍光光源装置１０においては、励起光入射面に被覆層２５が設けられていることから、励起光入射面に沿って液体冷媒を流通しても、波長変換部材が液体冷媒と接触することによって経時的に劣化し、それに起因して発光効率が低下することを防止または抑制することができる。
従って、蛍光光源装置１０によれば、波長変換部材に高い励起エネルギーを有する励起光が照射された場合であっても、波長変換部材の温度上昇が抑制されると共に、長期間にわたって高い発光効率が得られる。
【００３２】
図５は、本発明の蛍光光源装置の他の例における蛍光発光部材の構成を拡大して示す説明用拡大断面図である。
この図５の蛍光光源装置において、蛍光発光部材２０を構成する被覆層５０は、その表面（図５における上面）の全面に、凹凸構造５１が形成されており、この凹凸構造５１は、略錐状（具体的には、円錐状）の凸部５２が周期的に配列されてなるものである。また、蛍光発光部材２０において、基板３１、蛍光部材２２および被覆層５０の構成は、蛍光部材２２の形状が円形板状であって被覆層５０が略円形板状であること、および当該被覆層５０の表面の全面に凹凸構造５１が形成されていること以外は、図１の蛍光光源装置１０の基板３１、蛍光部材２２および被覆層２５と同様である。
また、図５の蛍光光源装置は、蛍光発光部材２０における被覆層５０が、その表面の全面に周期構造５１が形成されたものであること、および蛍光部材２２の形状が円形板状であって被覆層５０が略円形板状であること以外は、図１の蛍光光源装置１０と同様の構成を有するものである。
【００３３】
被覆層５０の表面に形成された凹凸構造５１において、周期ｄは、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲（ブラッグの条件）の大きさであることが好ましい。
具体的には、凹凸構造５１の周期ｄは、蛍光体から放射される蛍光のピーク波長を、凹凸構造５１を構成する材料（具体的には、光透過性材料）の屈折率で割った値（以下、「光学長さ」という。）または光学長さの数倍程度の値である。
本発明において、凹凸構造の周期とは、凹凸構造において互いに隣接する凸部間の中心間距離（ｎｍ）を意味する。
凹凸構造５１の周期ｄが蛍光部材２２の内部で生じる蛍光Ｌ１の回折が発生する範囲の大きさとされることにより、被覆層５０の表面から蛍光Ｌ１を高い効率で外部に出射することができる。
【００３４】
また、凹凸構造５１における周期ｄに対する凸部２５の高さｈの比（ｈ／ｄ）であるアスペクト比は、０．２以上であることが好ましい。
凹凸構造５１におけるアスペクト比が０．２以上とされることにより、被覆層５０の表面に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制され、その結果、励起光を波長変換部材、すなわち蛍光部材２２の内部に十分に取り込むことができる。また、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光を高い効率によって被覆層５０の表面から外部に取り出すことができる。
【００３５】
被覆層５０は、図１の蛍光光源装置１０における被覆層２５と同様に、光透過性材料よりなるものであるが、当該光透過性材料として蛍光部材２２より高屈折率のものを用いることによれば、周期ｄが小さい凹凸構造５１を形成することが可能となる。従って、凹凸構造５１を構成する凸部５２としてアスペクト比が大きくても高さが小さいものを設計することができるので、凹凸構造５１の形成が容易となる。例えば、ナノプリント法を利用する場合には、モールドの作製やインプリント作業を容易に行うことができる。
【００３６】
被覆層５０において、凹凸構造５１は、当該被覆層５０がセラミック膜または蒸着膜からなる場合には、ナノインプリント法とドライエッチング処理とによって形成することができる。具体的には、円形板状の被覆層の表面に、例えばスピンコート法によってレジストを塗布し、次いで、レジストの塗布膜を例えばナノインプリント法によりパターニングする。その後、被覆層の表面における露出した領域に、ドライエッチング処理を施すことにより、周期構造が形成される。ここに、ドライエッチング処理の手法の具体例としては、ＩＣＰ（Inductive  Coupling  Plasma，誘電結合方式）エッチング法が挙げられる。
また、被覆層５０がゾルゲル膜からなる場合には、ゾルゲル法とナノインプリント法とを用いることによって、当該被覆層５０の表面に凹凸構造５１を形成することができる。具体的には、珪素、チタン、ジルコニウム等のアルコキシドを含むゾル状の材料を、例えばスピンコート法によって波長変換部材の励起光入射面、すなわち蛍光部材２２の表面に塗布して、モールド型を押付しつけた状態で加熱処理を行い、離型した後、熱処理を行う。この熱処理によって、反応（加水分解および縮重合）が進み、表面に凹凸構造５１が形成された被覆層５０が形成される。
【００３７】
上記の図５の蛍光光源装置においては、半導体レーザから出射された青色領域のレーザ光である励起光は、コリメータレンズによって平行光線とされる。その後、この励起光は、ダイクロイックミラーを透過し、励起光集光レンズによって集光されて、被覆層５０を介して蛍光発光部材２０における波長変換部材の励起光入射面、すなわち蛍光部材２２の表面に対して略垂直に照射される。そして、蛍光部材２２においては、当該蛍光部材２２を構成する蛍光体が励起され、蛍光が放射される。この蛍光は、波長変換部材の蛍光出射面、すなわち蛍光部材２２の表面から出射され、ダイクロイックミラーによって垂直方向に反射された後、蛍光光源装置の外部に出射される。
【００３８】
この図５の蛍光光源装置によれば、図１の蛍光光源装置１０と同様に、波長変換部材に高い励起エネルギーを有する励起光が照射された場合であっても、当該波長変換部材の温度上昇が抑制されると共に、長期間にわたって高い発光効率が得られる。
【００３９】
また、図５の蛍光光源装置においては、被覆層５０の表面に凹凸構造５１が形成されているため、当該被覆層５０を介して励起光を波長変換部材の内部に十分に取り込むことができ、また当該被覆層５０を介して波長変換部材の内部において生成された蛍光を高い効率で外部に出射することができる。しかも、波長変換部材の内部において生成された蛍光が当該内部に閉じ込められることに起因して波長変換部材が加熱されることが抑制される。その結果、波長変換部材の温度上昇がより一層抑制されると共に、より高い発光効率が得られる。
【００４０】
図６は、本発明の蛍光光源装置の更に他の例における蛍光発光部材の構成を拡大して示す説明用拡大断面図である。
この図６の蛍光光源装置において、蛍光発光部材２０を構成する被覆層５５は、その表面（図６における上面）の一部（具体的には、中央部）に、凹凸構造５１が形成されており、この凹凸構造５１は、略錐状（具体的には、円錐状）の凸部５２が周期的に配列されてなるものである。また、蛍光発光部材２０において、基板３１、蛍光部材２５および被覆層５５の構成は、当該被覆層５５の表面の一部にのみ凹凸構造５１が形成されていること以外は、図５の蛍光光源装置の基板３１、蛍光部材２２および被覆層５０と同様である。
また、この図６の蛍光光源装置は、蛍光発光部材２０における被覆層５５が、その表面の一部に凹凸構造５１が形成されたものであること以外は、図５の蛍光光源装置と同様の構成を有するものである。
【００４１】
被覆層５５の表面において、凹凸構造５１が形成された領域（以下、「凹凸構造形成領域」ともいう。）の面積は、被覆層５５の表面全面の面積に対して２２〜８８％の大きさであることが好ましい。
【００４２】
上記の図６の蛍光光源装置においては、半導体レーザから出射された青色領域のレーザ光である励起光は、コリメータレンズによって平行光線とされる。その後、この励起光は、ダイクロイックミラーを透過し、励起光集光レンズによって集光されて、被覆層５５を介して蛍光発光部材２０における波長変換部材の励起光入射面、すなわち蛍光部材２２の表面に対して略垂直に照射される。そして、蛍光部材２２においては、当該蛍光部材２２を構成する蛍光体が励起される。これにより、蛍光部材２２において蛍光が放射される。この蛍光は、その大部分が、凹凸構造形成領域、すなわち被覆層５５の表面における凹凸構造５１が形成された領域から出射され、ダイクロイックミラーによって垂直方向に反射された後、蛍光光源装置の外部に出射される。
【００４３】
この図６の蛍光光源装置によれば、図１の蛍光光源装置１０および図５の蛍光光源装置と同様に、波長変換部材に高い励起エネルギーを有する励起光が照射された場合であっても、当該波長変換部材の温度上昇が抑制されると共に、長期間にわたって高い発光効率が得られる。
【００４４】
また、この蛍光光源装置においては、被覆層５５の表面に凹凸構造５１が形成されているため、当該被覆層５５を介して励起光を波長変換部材の内部に十分に取り込むことができ、また当該被覆層５５を介して波長変換部材の内部において生成された蛍光を高い効率で外部に出射することができる。しかも、波長変換部材の内部において生成された蛍光が当該内部に閉じ込められることに起因して波長変換部材が加熱されることが抑制される。その結果、波長変換部材の温度上昇がより一層抑制されると共に、より高い発光効率が得られる。
【００４５】
更に、この蛍光光源装置においては、凹凸構造５１が被覆層５５の表面の一部（中央部）に形成されており、この凹凸構造５１が形成された凹凸構造形成領域から、波長変換部材の内部において生成された蛍光の大部分が出射される。そのため、被覆層５５が設けられた波長変換部材は高い排熱性を有するものとなり、当該波長変換部材において励起光の照射によって発生する熱が高い効率で放熱され、波長変換部材の温度上昇が抑制される。しかも、波長変換部材の内部において生じた蛍光を、小さな面積の凹凸構造形成領域から高い効率で取り出すことができるため、高い蛍光光束を得ることができる。その結果、波長変換部材の温度上昇が更により一層抑制されると共に、波長変換部材の内部において生成された蛍光を高い効率で利用することができる。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、液体冷媒流通機構は、少なくとも波長変換部材の励起光入射面に沿って液体冷媒を流通させることのできるものであればよく、種々の構成を採用することができる。具体的には、液体冷媒流通機構は、冷却性能の観点からは、図２および図３に示されているように、波長変換部材の裏面側（図２および図３における下面側）にも液体冷媒を流通させることのできるものが好ましいが、図７に示すような構成のものであってもよい。この図７の蛍光光源装置は、液体冷媒流通機構を構成する支持部材４１において、貫通孔４７の貫通方向に垂直な方向の断面形状が矩形状であって、蛍光発光部材２０が貫通孔４７の底壁によって支持されていること、および貫通孔４７と連通する開口部４９が励起光集光レンズ１８の底面部よりも小径の開口を有すること以外は、図１の蛍光光源装置と同様の構成を有するものである。
【００４７】
また、蛍光光源装置全体の構造は、図１に示すものに限定されず、種々の構成を採用することができる。例えば、図１に係る蛍光光源装置では、１つのレーザ光源（例えば、半導体レーザ）の光を用いているが、レーザ光源が複数あり、蛍光プレートの前に集光レンズを配置して、集光光を蛍光プレートに照射する形態であってもよい。また、励起光はレーザ光源の光に限るものではなく、蛍光プレートを励起できるものであれば、ＬＥＤの光を集光したものでもよく、更には、水銀、キセノン等が封入されたランプからの光であってもよい。尚、ランプやＬＥＤのように放射波長に幅を持つ光源を利用した場合、励起光の波長はランプ等から放射される主たる放射波長の領域である。ただし、本発明においては、これに限定されるものではない。
【００４８】
以下、本発明の実験例について説明する。
【００４９】
（実験例１）
基本的に図６に示す構成を有し、下記の仕様を有する蛍光発光部材（２０）を３個作製した。
この蛍光発光部材（２０）において、被覆層（５５）は蒸着膜よりなり、当該被覆層（５５）の凹凸構造（５１）は、ナノインプリント法とドライエッチング処理とによって形成した。
具体的に、凹凸構造（５１）は、先ず、円形板状の被覆層の表面に、スピンコート法によってレジストを塗布し、次いで、レジストの塗布膜をナノインプリント法によりパターニングした。その後、被覆層の表面における露出した領域に、ＩＣＰ（Inductive  Coupling  Plasma，誘電結合方式）エッチング法によってドライエッチング処理を施すことによって形成した。
なお、被覆層（５５）は、ダイシェアをすることによって所期の形状寸法を有するものとした。
【００５０】
［基板（３１）］
材質：Ｍｏ−Ｃｕ基板，外形寸法：１７ｍｍ（縦）×１７ｍｍ（横）×０．５ｍｍ（最大厚み），波長変換部材用凹部（３２）の寸法：４ｍｍ（縦）×３ｍｍ（横）×０．１３ｍｍ（凹み深さ）
［蛍光部材（２２）］
材質：ＹＡＧ（屈折率＝１．８５，励起波長＝４４８ｎｍ，蛍光波長＝５６０ｎｍ），寸法：３ｍｍ（縦）×４ｍｍ（横）×０．１３ｍｍ（厚み）
［被覆層（５５）］
材質：ジルコニア，厚み（最大厚み）５００ｎｍ，凹凸構造形成領域の寸法：１．７ｍｍ（縦）×３ｍｍ（横），凹凸構造（５１）の形状：円錐状の凸部（５２）の高さ＝２８０ｎｍ，周期（ｄ）＝４６０ｎｍ，アスペクト比（ｈ／ｄ）＝０．６
［光反射膜］
材質：増反射アルミニウム膜
［保護部材（２３）］
材質：酸化チタンよりなるセラミック
【００５１】
作製した蛍光発光部材（２０）の各々を、図７に示したように支持部材（４１）によって支持し、図１の構成に基づいて３個の蛍光光源装置を作製した。これらの蛍光光源装置において、貫通孔（４７）によって形成される流通路の幅（図７における左右方向の寸法）は１７ｍｍであって、当該流通路における蛍光発光部材（２０）の表面上に位置する部分の厚み（図７における上下方向の寸法）は２．５ｍｍである。
作製した蛍光光源装置の各々において、空気、フッ素系不活性液体および水を冷媒として用いて、これらの冷媒を温度３０℃、流速３ｍ／ｓの条件で貫通孔（４７）に供給しつつ、蛍光発光部材（２０）に対して、励起エネルギー１００Ｗの励起光を照射した。そして、蛍光部材（２２）の表面から出射された蛍光の光束を測定すると共に、蛍光部材（２２）の温度（表面温度）を放射温度計によって測定した。また、蛍光発光部材（２０）に照射された励起光の励起エネルギーのうちの、蛍光部材（２２）内において熱に変換されたエネルギー量（以下、「入熱量」ともいう。）を算出した。結果を表１に示す。この表１において、「光束比」とは、冷媒として空気を用いた場合の蛍光の光束を基準として１としたときの相対値を示す。
【００５２】
【表１】
2015179599.tif 000003
【００５３】
表１の結果から、冷媒として液体冷媒を用いることにより、冷媒として空気を用いた場合に比して、高い冷却能が得られ、波長変換部材（蛍光部材）の温度上昇をより抑制でき、そのため、励起光の蛍光への変換効率が大きくなって高い蛍光光束が得られることが確認された。
【００５４】
（実験例２）
実験例１の蛍光光源装置と同様の構成を有する蛍光光源装置（以下、「蛍光光源装置（１）」ともいう。）を３個作製した。
作製した蛍光光源装置の各々において、粘度の異なる３種類の液体冷媒、具体的には水、フッ素系不活性液体およびアルキルジフェニール系不活性液体を液体冷媒として用いて、これらの冷媒を温度３０℃、流速３ｍ／ｓの条件で貫通孔（４７）よりなる流通路に供給しつつ、蛍光発光部材（２０）に対して励起光を照射した。そして、蛍光部材（２２）の温度（表面温度）を放射温度計によって測定した。結果を表２に示す。
表２において、「粘度」とは、温度１００℃における粘度を示す。
【００５５】
【表２】
2015179599.tif 000004
【００５６】
表２の結果から、液体冷媒として粘度の低いものを用いることにより、高い冷却能が得られることが確認された。また、温度１００℃における粘度が１．５ｍＰａ・ｓ以下である場合には、波長変換部材の温度を、温度消光によって励起光の蛍光への変換効率が極端に低下することとなる温度以下、具体的には２００℃以下とすることができることが確認された。
【００５７】
（実験例３）
実験例１の蛍光光源装置と同様の構成を有する蛍光光源装置（以下、「蛍光光源装置（１）」ともいう。）を作製した。また、波長変換部材の励起光入射面、すなわち蛍光部材（２２）の表面に被覆層が設けられていないこと以外は蛍光光源装置（１）と同様の構成を有する蛍光光源装置（以下、「比較用蛍光光源装置（１）」ともいう。）を作製した。
作製した蛍光光源装置（１）および比較用蛍光光源装置（１）の各々において、水を冷媒として用いて、この冷媒を温度３０℃、流速３ｍ／ｓの条件で貫通孔（４７）よりなる流通路に供給しつつ、蛍光発光部材（２０）に対して４３０時間にわたって励起光を照射した。そして、励起光の照射直後、すなわち蛍光発光部材（２０）の表面が水に浸漬した状態とされた直後に蛍光部材（２２）の表面から出射された蛍光の光束（初期光束）を測定した。また、励起光の照射を開始してから４３０時間経過後、すなわち蛍光発光部材（２０）の表面が４３０時間にわたって水に浸漬した状態とされた後にも蛍光部材（２２）の表面から出射された蛍光の光束（以下、「４３０時間経過光束」ともいう。）を測定した。蛍光光源装置（１）および比較用蛍光光源装置（１）の各々について、得られた初期光束および３４０時間経過光束から、初期光束に対する３４０時間経過光束の割合である光束維持率を算出したところ、蛍光光源装置（１）の光束維持率は９１％であり、一方、比較用蛍光光源装置（１）の光束維持率は８７％であった。
【００５８】
以上の結果から、波長変換部材（蛍光部材）の励起光入射面に、当該励起光入射面を被覆する被覆層を設けることにより、液体冷媒を用いて波長変換部材を冷却した場合であっても、長期間にわたって高い発光効率が得られることが確認された。
【符号の説明】
【００５９】
１０    蛍光光源装置
１１    半導体レーザ
１５    コリメータレンズ
１６    ダイクロイックミラー
１８    励起光集光レンズ
２０    蛍光発光部材
２２    蛍光部材
２３    保護部材
２５    被覆層
３１    基板
３２    波長変換部材用凹部
４１    支持部材
４２    貫通孔
４２Ａ    上側部
４２Ｂ    下側部
４３    段差
４５    開口部
４７    貫通孔
４９    開口部
５０    被覆層
５１    凹凸構造
５２    凸部
５５    被覆層
【図１】
2015179599.tif 000005
【図２】
2015179599.tif 000006
【図３】
2015179599.tif 000007
【図４】
2015179599.tif 000008
【図５】
2015179599.tif 000009
【図６】
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【図７】
2015179599.tif 000011