CN108603113A - 荧光体及其制造方法、含荧光体构件以及发光装置或投影仪 - Google Patents

荧光体及其制造方法、含荧光体构件以及发光装置或投影仪 Download PDF

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Abstract

提供外部量子效率优异且高温条件下的发光特性优异的包括YAG系或LuAG系单晶的粒子状的荧光体及其制造方法、包含该荧光体的含荧光体构件以及具有该含荧光体构件的发光装置或投影仪。作为一实施方式，提供包括具有由组成式(Y1‑x‑y‑zLuxGdyCez)3+aAl5‑aO12(0≤x≤0.9994，0≤y≤0.0669，0.001≤z≤0.004，‑0.016≤a≤0.315)表示的组成的单晶，粒径(D50)为20μm以上的粒子状的荧光体。

Description

荧光体及其制造方法、含荧光体构件以及发光装置或投影仪
技术领域
本发明涉及荧光体及其制造方法、含荧光体构件以及发光装置或投影仪。
背景技术
以往，已知包括YAG系单晶的荧光体(例如，参照专利文献1)。根据专利文献1，包括单晶的荧光体与陶瓷粉末荧光体相比，由温度的上升导致的荧光强度的下降少，具有优异的温度特性。
另外，已知使用了通过将YAG系单晶的块(ingot)粉碎而得到的粒子状的单晶荧光体的发光装置(例如，参照专利文献1、2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特许第5649202号公报
专利文献2：特许第5620562号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的之一在于，为了进一步提高粒子状的YAG系或LuAG系单晶荧光体的发光强度、高温条件下的发光特性，而谋求粒子状态的组成的最佳化，由此，提供发光强度、高温条件下的发光特性特别优异的包括YAG系或LuAG系单晶的粒子状的荧光体及其制造方法、包含该荧光体的含荧光体构件以及具有该含荧光体构件的发光装置或投影仪。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，本发明的一方面提供下述[1]、[2]的荧光体。另外，本发明的另一方面提供下述[3]的含荧光体构件。另外，本发明的另一方面提供下述[4]、[5]的发光装置。另外，本发明的另一方面提供下述[6]、[7]的投影仪。另外，本发明的另一方面提供下述[8]、[9]的荧光体的制造方法。
[1]一种荧光体，为粒子状，包括具有由组成式(Y1-x-y-zLuxGdyCez)3+aAl5-aO12(0≤x≤0.9994，0≤y≤0.0669，0.001≤z≤0.004，-0.016≤a≤0.315)表示的组成的单晶，粒径(D50)为20μm以上。
[2]根据上述[1]所述的荧光体，粒径(D50：累积分布中50vol％时的粒径)为120μm以下。
[3]一种含荧光体构件，具有：上述[1]或[2]所述的荧光体；以及密封构件或粘合剂，上述密封构件将上述荧光体密封，包括透明的无机材料，上述粘合剂将上述荧光体的粒子彼此接合，包括无机材料。
[4]一种发光装置，具有：含荧光体构件，其具有：上述[1]或[2]所述的荧光体；以及密封构件或粘合剂，上述密封构件将上述荧光体密封，包括透明的无机材料，上述粘合剂将上述荧光体的粒子彼此接合，包括无机材料；以及发光元件，其发出用于激发上述荧光体的蓝色光。
[5]根据上述[4]所述的发光装置，上述发光元件为激光二极管。
[6]一种投影仪，具有：含荧光体构件，其具有：上述[1]或[2]所述的荧光体；以及密封构件或粘合剂，上述密封构件将上述荧光体密封，包括透明的无机材料，上述粘合剂将上述荧光体的粒子彼此接合，包括无机材料；发光元件，其发出用于激发上述荧光体的蓝色光，图像形成部，其使用从上述含荧光体构件发出的荧光形成图像；以及透镜，其将上述图像形成部所形成的上述图像投影到外部的投影面。
[7]根据上述[6]所述的投影仪，上述发光元件为激光二极管。
[8]一种荧光体的制造方法，包含如下工序：将具有由组成式(Y1-x-y-zLuxGdyCez)3+ aAl5-aO12(0≤x≤0.9994，0≤y≤0.0669，0.001≤z≤0.004，-0.016≤a≤0.315)表示的组成的单晶荧光体块粉碎，形成包括具有上述组成的单晶且粒径(D50)为20μm以上的粒子状的荧光体。
[9]根据上述[8]所述的荧光体的制造方法，粒径(D50)为120μm以下。
发明效果
根据本发明的一方面，能够提供外部量子效率优异且高温条件下的发光特性优异的包括YAG系或LuAG系单晶的粒子状的荧光体及其制造方法、包含该荧光体的含荧光体构件以及具有该含荧光体构件的发光装置或投影仪。
附图说明
图1是示出YAG荧光体的粒径(D50)与热阻的关系的坐标图。
图2是示意性地示出通过CZ法进行的单晶荧光体块的提拉的截面图。
图3是培育出的单晶荧光体块的示意图。
图4是示出对粒子状的单晶荧光体实施氢氟酸处理之前与之后的吸收率的变化的坐标图。
图5A是示出实施氢氟酸处理之前的粒子状的单晶荧光体的状态的SEM照片。
图5B是示出实施氢氟酸处理之后的粒子状的单晶荧光体的状态的SEM照片。
图6是第2实施方式的作为发光装置的激光前照灯的光源部的示意图。
图7A是第2实施方式的含荧光体构件的截面图。
图7B是第2实施方式的含荧光体构件的俯视图。
图7C是第2实施方式的含荧光体构件的俯视图。
图8是表示第3实施方式的投影仪的构成的示意图。
图9A是第3实施方式的含荧光体构件的俯视图。
图9B是第3实施方式的含荧光体构件的截面图。
图10是示出实施例2的评价光学系统的构成的示意图。
图11A是示出含荧光体构件中的荧光体使用了现有的YAG系多晶荧光体的情况下的、激光二极管阵列的输出与密封材料的厚度不同的3种含荧光体构件的被密封的荧光体的表面温度的关系的坐标图。
图11B是示出含荧光体构件中的荧光体使用了现有的YAG系多晶荧光体的情况下的、激光二极管阵列的输出与密封材料的厚度不同的3种含荧光体构件的荧光强度的关系的坐标图。
图12A是表示含荧光体构件中的荧光体使用了第1实施方式的YAG系单晶荧光体的情况下的、激光二极管阵列的输出与密封材料的厚度不同的3种含荧光体构件的被密封的荧光体的表面温度的关系的坐标图。
图12B是表示含荧光体构件中的荧光体使用了第1实施方式的YAG系单晶荧光体的情况下的、激光二极管阵列的输出与密封材料的厚度不同的3种含荧光体构件的荧光强度的关系的坐标图。
具体实施方式
[第1实施方式]
〔荧光体的特征〕
第1实施方式的单晶荧光体是以Y3Al5O12(YAG)系晶体或Lu3Al5O12(LuAG)系晶体为母晶的YAG系或LuAG系单晶荧光体，具有由组成式(Y1-x-y-zLuxGdyCez)3+aAl5-aO12(0≤x≤0.9994，0≤y≤0.0669，0.001≤z≤0.004，-0.016≤a≤0.315)表示的组成。在此，Lu、Gd是置换Y的不会成为发光中心的成分。Ce是置换Y的能成为发光中心的成分(活化剂)。
此外，上述的单晶荧光体的组成之中的一部分原子有时会占据晶体结构上的不同位置。另外，上述的组成式中的组成比的O的值虽然记述为12，但上述的组成也包含由于不可避免地混入或欠缺的氧的存在而组成比的O的值稍稍从12偏离开的组成。另外，组成式中的a的值是在单晶荧光体的制造上不可避免地发生变化的值，但-0.016≤a≤0.315左右的数值范围内的变化基本上不会对单晶荧光体的物理性质产生影响。
另外，本实施方式的荧光体的特征在于，不含Ba、Sr等2族元素以及F、Br等17族元素，具有高纯度。通过这些特征，能够实现高亮度且高寿命的荧光体。
表示Ce的浓度的上述组成式中的z的数值的范围为0.001≤z≤0.004，之所以如此，是因为：在z的数值小于0.001的情况下，粒子状的单晶荧光体的吸收率小，外部量子效率小，结果会产生发光强度小的问题，在z超过0.004的情况下，粒子状的单晶荧光体的高温时的温度特性会下降。例如，300℃时的荧光体的内部量子效率会小于0.9。0.001≤z≤0.004对于粒子状的单晶荧光体而言是最佳化的Ce的浓度范围，例如，与适合于板状的单晶荧光体的Ce的浓度范围不同。
另外，本实施方式的荧光体是粒径(D50)为20μm以上的粒子状的单晶荧光体。在此，D50是指累积分布中的50vol％时的粒径。
当粒径变大时，表面积相对于体积会变小，因此，能够提高外部量子效率。
另外，在将粒子状的荧光体封入于透明的密封构件来使用的情况下，荧光体的粒径越大，则荧光体相对于密封构件的材料的体积比越大。通常，密封材料与荧光体相比热传导率低，结果是热阻会变大，因此，通过增大荧光体相对于密封构件的材料的体积比，能够降低整体(包含荧光体的密封构件)的热阻。
此外，现有的YAG多晶荧光体是通过固相反应将Y2O3、Al2O3、CeO2等氧化物粉末原料进行合成，因此，难以制造粒径大到15～20μm左右以上的荧光体。而另一方面，本实施方式的单晶YAG荧光体是将进行熔体生长而成的单晶荧光体的块粉碎来制作，因此也能得到100μm以上的粒径的荧光体。
块的粉碎能够使用辊磨机、球磨机、喷射磨机等已知的粉碎装置。在粉碎量少的情况下，也可以使用研钵、研棒。粉碎装置中的磨机、球等与YAG接触的构件的材料优选是硬度高的材料，另外，从污染的观点出发，最优选是单晶YAG，但从生产性的观点出发，也可以是高纯度氧化铝。
图1是示出YAG荧光体的粒径(D50)与热阻的关系的坐标图。在图1的坐标图中，D50为15μm的绘制点是现有的烧结YAG荧光体的绘制点，其它绘制点是本实施方式的粒子状的单晶YAG荧光体(将荧光体单晶块的组成分布在(Y0.9990Ce0.0010)3.175Al4.825Ox～(Y0.9985Ce0.0015)3.167Al4.833Ox的范围内的区域粉碎而得到的荧光体)的绘制点。图1的纵轴是将各个荧光体以SiO2系的无机密封材料进行了密封的100μm的膜的热阻，用将现有的烧结YAG荧光体的密封膜的热阻值设为1时的相对值来表示。此外，包含D50为100μm的荧光体的密封膜的厚度为110μm。
如图1所示，例如，通过使荧光体的粒径(D50)为20μm，能够使热阻比现有的通过烧结制作的YAG多晶荧光体低，另外，通过使荧光体的粒径(D50)为60μm，能够使热阻成为现有的YAG多晶荧光体的热阻的大致一半以下。另外，不含如无机密封材料这样的粘合剂的厚度为100μm的单晶YAG板的热阻是0.1左右，通过使粒子状的荧光体的粒径为100～120μm左右，能够实现与单晶YAG板大致同等的热阻，这一点通过本发明的发明人的实验得到了确认。
另外，如上所述，YAG系单晶荧光体与通过烧结法等制作的YAG系多晶荧光体相比，由温度的上升导致的荧光强度的下降少。荧光强度的下降少是由于内部量子效率的下降少所致。另外，这对于LuAG系单晶荧光体也是同样的。
本实施方式的荧光体除了这种YAG系或LuAG系单晶荧光体本来就有的高温条件下的优异的发光特性之外，还具有通过粒径的控制会降低含荧光体构件的热阻的效果，因此，对高温条件下的使用而言是更加适合的。例如，能够作为如激发光为激光的激光投影仪、激光前照灯那样每单位面积的亮度极高的发光装置所使用的荧光体而发挥优异的功能。另外，本实施方式的荧光体为粒子状，因此，具有增大光的散射的效果，能够实现更均匀的发光强度、发光颜色。
此外，现有的YAG系或LuAG系粉末荧光体是通过烧结法制作的多晶粉末，具有D50＝10～15μm的粒子系。YAG系或LuAG系化合物的熔点非常高，因此，在基于固相反应的烧结法中，由于时间以及质量上的限制，很难使D50成为20μm以上。
另外，在将本实施方式的荧光体用于白色照明等的情况下，优选粒径(D50)为120μm以下。这是因为，当超过120μm时，作为荧光体的荧光色的黄色过强，有时难以得到希望的色度的白色光。
该粒子状的荧光体例如能通过将利用CZ法(Czochralski Method：切克拉斯基法)、EFG法(Edge-Defined Film-Fed Growth Method：限边馈膜生长法)、布里奇曼法等从原料熔体提拉晶体的方法培育出的单晶荧光体的块粉碎来得到。
〔荧光体的制造方法〕
以下，具体描述本实施方式的荧光体的制造方法的一例。在以下的例子中，通过CZ法培育单晶荧光体。
首先，作为起始原料，准备高纯度(99.99％以上)的Y2O3、Lu2O3、Gd2O3、CeO2、Al2O3的粉末，进行干式混合，而得到混合粉末。此外，Y、Lu、Gd、Ce以及Al的原料粉末不限于上述的粉末。另外，在制造不含Lu或Gd的单晶荧光体的情况下，不使用那些原料粉末。
图2是示意性地示出通过CZ法进行的单晶荧光体块的提拉的截面图。晶体培育装置10主要具备：铱制成的坩埚11；陶瓷制成的筒状容器12，其收纳坩埚11；以及高频线圈13，其卷绕于筒状容器12的周围。
将所得到的混合粉末放入坩埚11内，在氮气氛中通过高频线圈13将30kW的高频能量供应到坩埚11来产生感应电流，对坩埚11进行加热。由此，将混合粉末熔融，得到熔体14。
接着，准备作为YAG单晶的晶种15，使其顶端与熔体14接触，然后一边以10rpm的转速使其旋转一边以1mm/h以下的提拉速度进行提拉，以1960℃以上的提拉温度在<111>方向上培育单晶荧光体块16。向筒状容器内以每分钟2L的流量流入氮，在大气压下并在氮气氛中进行该单晶荧光体块16的培育。
如此，得到包括具有由组成式(Y1-x-y-zLuxGdyCez)3+aAl5-aO12(0≤x≤0.9994，0≤y≤0.0669，0.0002≤z≤0.0067，-0.016≤a≤0.315)表示的组成的单晶的单晶荧光体块16。单晶荧光体块16的尺寸例如是直径约2.5cm、长度约5cm。
在YAG系或LuAG系单晶荧光体中，Ce离子半径远大于作为母晶的YAG系或LuAG系单晶的Y离子半径，因此，不易被取入到晶体中。所以，在通过CZ(Czochralski)法等提拉法培育YAG系或LuAG系单晶荧光体的情况下，随着晶体培育的进行，原料熔体中的Ce浓度会增加，因此，YAG系或LuAG系单晶荧光体的Ce浓度分布具有如Ce浓度朝向晶体的提拉方向下降这样的梯度。即，Ce浓度从YAG系或LuAG系单晶荧光体的种子(晶种)侧朝向尾部侧增加。
图3是培育出的单晶荧光体块16的示意图。在单晶荧光体块16中，Ce浓度从晶种15侧朝向尾部17侧增加。
在本实施方式中，例如，将单晶荧光体块16的表示Ce浓度的组成式的z为0.001≤z≤0.004的区域作为粉碎区域18切出。在粉碎区域18中，沿着单晶荧光体块16的提拉方向，表示Ce浓度的组成式的z在0.001至0.004之间是连续分布的。具体来说，该Ce浓度分布的连续性与“日本晶体生长学会杂志Vol.42,No.2,2015，P119-129”所记载的图3和式(1)(记载在下面)中定义的有效偏析系数有关。此外，Ce浓度通过ICP-MS法等来测定。
[数学式1]
在此，式(1)的“Ccrystal”表示晶体的Ce浓度，“Cmelt”表示熔体的初始Ce浓度，“keff”表示有效偏析系数，“g”表示固化率(晶体重量÷熔体的初始重量)。
接着，将粉碎区域18粉碎，得到粒子状的荧光体。当然，该粒子状的荧光体具有与粉碎区域18相同的组成。
例如，在粉碎区域18的组成式的z为0.001≤z≤0.004且在0.001以上0.004以下的范围内连续地分布的情况下，将粉碎区域18粉碎而得到的粒子状的荧光体的各粒子的组成式的z为0.001≤z≤0.004，粒子状的荧光体的群的组成式的z在0.001以上0.004以下的范围内连续地分布。
荧光体的发光颜色根据Ce浓度而变化。具体来说，例如，若荧光体在Y位不含Lu，则当Ce浓度增加时，CIE色度(x，y)会从黄色侧移向红色侧。另外，若荧光体在Y位包含Lu，则CIE色度(x，y)会从绿色侧移向黄色侧。
所以，粒子状的单晶荧光体的群的组成式的Ce浓度在规定的范围内连续地分布的情况与Ce浓度为恒定的情况相比，发光光谱的半值宽度增加，显色性提高。
优选粒子状的荧光体的各粒子的组成式的z为0.001≤z≤0.004，粒子状的荧光体的群的组成式的z在0.001以上0.004以下的范围内连续地分布，更优选粒子状的荧光体的各粒子的组成式的z为0.0015≤z≤0.0035，并在0.0015以上0.0035以下的范围内连续地分布。
此外，通过烧结法等制作的包含Ce的粉末荧光体通常也具有某种程度的Ce浓度的分布，但这是由从希望的Ce浓度出现偏差所致，是正态分布。而另一方面，在本实施方式中，通过将单晶荧光体块粉碎而得到的粒子状的单晶荧光体的Ce浓度分布不是正态分布。
另外，粉碎区域18不需要占据近乎于整个单晶荧光体块16的区域。例如，在单晶荧光体块16的离晶种15侧的端部近的部分的组成式的z为0.001，离尾部17侧的端部近的部分的组成式的z为0.004的情况下，也可以将z分布在0.003以上0.004以下的范围内的区域作为粉碎区域18从单晶荧光体块16切出。该情况下从粉碎区域18得到的粒子状的单晶荧光体与从z分布在0.001以上0.004以下的范围内的粉碎区域18得到的粒子状的单晶荧光体相比，具有偏红色的CIE色度(x，y)。
另外，例如，从z分布在0.001以上0.002以下的范围内的粉碎区域18得到的粒子状的单晶荧光体与从z分布在0.001以上0.004以下的范围内的粉碎区域18得到的粒子状的单晶荧光体相比，具有偏绿色的CIE色度(x，y)。
另外，例如，从z分布在0.002以上0.003以下的范围内的粉碎区域18得到的粒子状的单晶荧光体具有处于从z分布在0.003以上0.004以下的范围内的粉碎区域18得到的粒子状的单晶荧光体与从z分布在0.001以上0.002以下的范围内的粉碎区域18得到的粒子状的单晶荧光体的中间的CIE色度(x，y)。
另外，通过使粉碎区域18的组成式的z的分布范围的最大值与最小值之差为0.0005以上，能够起到扩大荧光光谱的半值宽度的效果，并且能够增加单晶荧光体块16的使用区域，降低荧光体的制造成本。
而且，通过对将单晶荧光体块粉碎而得到的粒子状的单晶荧光体实施氢氟酸处理，能够大幅提高吸收率。
图4是示出对粒子状的单晶荧光体(将荧光体单晶块的组成分布在(Y0.6462Lu0.3528Ce0.0010)3.177Al4.823Ox～(Y0.6870Lu0.3109Ce0.0021)3.130Al4.870Ox的范围内的区域粉碎而得到的单晶荧光体)实施氢氟酸处理之前与之后的吸收率的变化的坐标图。
具体来说，作为氢氟酸处理，使用40℃的浓度为40％的氢氟酸，对粒子状的单晶荧光体的表面实施1个小时的蚀刻处理。
图4示出了通过氢氟酸处理，粒子状的单晶荧光体的吸收率大幅提高。与荧光体的发光强度有很大关系的外部量子效率是用内部量子效率乘以吸收率的值来表示，因此可以说，通过氢氟酸处理，能够大幅提高粒子状的单晶荧光体的发光强度。
图5A、图5B是分别示出实施氢氟酸处理之前与之后的粒子状的单晶荧光体的状态的SEM(Scanning Electron Microscope：扫描电子显微镜)照片。
在图5B所示的进行氢氟酸处理之后的单晶荧光体中，各个粒子的棱角变圆润了，与图5A所示的进行氢氟酸处理之前的单晶荧光体相比，曲面变多了。可以认为，这样由于单晶荧光体的粒子的表面变为曲面状，而表面上的光反射减少，吸收率提高。另外可以认为，通过粉碎，还会带来将荧光体表面产生的晶体缺陷层除去的效果。另外，由于荧光体形状带有圆度，因此，分散到无机密封材料中时的分散性提高，膜中的荧光体密度提高，还具有降低热阻的效果。
[第2实施方式]
本发明的第2实施方式是使用了第1实施方式的单晶荧光体的发光装置。
图6是第2实施方式的作为发光装置的激光前照灯20的光源部的示意图。激光前照灯20具有：具有准直透镜21的3个激光二极管22；聚光透镜23，其使从激光二极管22发出的蓝色激光聚光；含荧光体构件24，其吸收由聚光透镜23聚光后的光而发出荧光；以及反射镜25，其使从含荧光体构件24发出的荧光反射而向激光前照灯20的前方配光。在激光前照灯20中，通过从激光二极管22发出的蓝色光与从含荧光体构件24发出的黄色光的混色，能得到白色光。
图7A、图7B是第2实施方式的含荧光体构件24的截面图和俯视图。含荧光体构件24具有：基板24a；密封材料24b，其形成在基板24a的表面上；以及粒子状的荧光体24c，其被密封材料24b密封。
基板24a是反射镜基板等表面具有高反射率的基板。另外，优选基板24a连接到包括Cu、Al等的热传导率大的散热器。基板24a的平面形状没有特别限定。
密封材料24b包括玻璃、SiO2系或Al2O3系等透明的无机材料。所以，与包括硅酮等有机材料的密封材料相比，耐热性优异。密封材料24b的平面形状可以是如图7B所示的四方形，也可以是如图7C所示的圆形。
荧光体24c是包括第1实施方式的粒子状的YAG系或LuAG系单晶的荧光体。即，是包括具有由组成式(Y1-x-y-zLuxGdyCez)3+aAl5-aO12(0≤x≤0.9994，0≤y≤0.0669，0.001≤z≤0.004，-0.016≤a≤0.315)表示的组成的单晶，粒径(D50)为20μm以上的粒子状的荧光体。
另外，荧光体24c例如是上述组成式的z为0.001≤z≤0.004并在0.001至0.004之间连续地分布的粒子状的荧光体的群。
所以，荧光体24c在高温条件下具有优异的发光特性，即使将高输出的激光二极管22用作激发光源，也能够稳定且效率良好地发出荧光。
[第3实施方式]
本发明的第3实施方式是使用了第1实施方式的单晶荧光体的投影仪。
图8是表示第3实施方式的投影仪30的构成的示意图。投影仪30具有：作为光源的蓝色的激光二极管31；含荧光体构件33，其将从激光二极管31发出并通过了聚光透镜32的蓝色光的一部分吸收而激发，发出黄色的荧光；透镜34，其使由从含荧光体构件33发出的黄色的荧光和未被含荧光体构件33吸收而透射过的蓝色光所构成的白色光的进行方向一致；分色镜35a，其使通过了透镜34的白色光之中的蓝色光透射过，而使其它的光反射；分色镜35b，其使被分色镜35a反射的光之中的红色光透射过，而使作为其它颜色的绿色光反射；反射镜36a，其使透射过分色镜35a的蓝色光反射；反射镜36b、36c，其使透射过分色镜35b的红色光反射；液晶面板37a，其以形成希望的图像的方式被驱动控制，使被反射镜36a反射后的蓝色光按希望的模式透射过；液晶面板37b，其以形成希望的图像的方式被驱动控制，使被分色镜35b反射后的绿色光按希望的模式透射过；液晶面板37c，其以形成希望的图像的方式被驱动控制，使被反射镜36c反射后的红色光按希望的模式透射过；棱镜38，其将透射过液晶面板37a、37b、37c的蓝色光、绿色光以及红色光进行合成；以及透镜39，其将被棱镜38合成后的光扩展并作为图像照射到外部的屏幕100。
透镜34、分色镜35a、35b、反射镜36a、36b、36c、液晶面板37a、37b、37c、棱镜38是投影仪30中的对从含荧光体构件33发出的荧光和从激光二极管31发出的光进行加工来形成图像的图像形成部。即，投影仪30将该图像形成部使用从含荧光体构件33发出的荧光所形成的图像投影到外部的屏幕100。
图9A、图9B是第3实施方式的含荧光体构件33的俯视图和截面图。含荧光体构件33具有：圆盘状的透明基板33a；环状的密封材料33b，其在透明基板33a的表面上沿着外周形成；以及粒子状的荧光体33c，其被密封材料33b密封。
透明基板33a例如包括热传导率大的蓝宝石，以能在沿圆周方向旋转的方式设置在投影仪30内。
密封材料33b包括玻璃、SiO2系或Al2O3系等透明的无机材料。所以，与包括硅酮等有机材料的密封材料相比，耐热性优异。
荧光体33c是包括第1实施方式的粒子状的YAG系或LuAG系单晶的荧光体。即，是包括具有由组成式(Y1-x-y-zLuxGdyCez)3+aAl5-aO12(0≤x≤0.9994，0≤y≤0.0669，0.001≤z≤0.004，-0.016≤a≤0.315)表示的组成的单晶，粒径(D50)为20μm以上的粒子状的荧光体。
另外，荧光体33c例如是上述组成式的z为0.001≤z≤0.004并在0.001至0.004之间连续地分布的粒子状的荧光体的群。
所以，荧光体33c在高温条件下具有优异的发光特性，即使将高输出的激光二极管31用作激发光源，也能够稳定且效率良好地发出荧光。
另外，在投影仪30工作时含荧光体构件33进行旋转，由此，能够使从激光二极管31发出的蓝色光的照射位置33d随时间变化，能够抑制含荧光体构件33的热的上升，因而高温条件下的工作更加稳定。
另外，荧光体33c在高温下的发光特性优异，因此，根据情况，也能够取代如含荧光体构件33那样的旋转式，而使用固定式的含荧光体构件。这样的使用方法由于如果高温下的发光特性不够优异则会产生温度消光的原因，在现有的多晶荧光体中是难以使用的。
另外，这种固定式的含荧光体构件可以是如使用了透明基板的含荧光体构件33那样的透射型，也可以是反射型。反射型的含荧光体构件例如具有与图7所示的含荧光体构件24同样的结构。在该情况下，作为基板24a，优选使用如Ag、Al基板一类的反射率高的金属基板。或者，也可以在金属基板的表面形成有反射率高的Ag、Al系材料等的涂层。
此外，在投影仪30中，作为光源的发光元件，也可以是取代激光二极管31而使用LED，但在使用光输出的激光二极管时，能更大地发挥高温条件下的发光特性优异这一含荧光体构件33的效果。
另外，投影仪30是将荧光体的黄色发光光谱分光为绿色光谱和红色光谱的方式的投影仪，但第1实施方式的单晶荧光体也能够应用于从荧光体的绿色发光光谱直接取出绿色光谱的方式的投影仪。另外，第1实施方式的单晶荧光体能够不依赖于投影仪的图像形成部的方式地进行应用。
(实施方式的效果)
根据上述实施方式，能够得到外部量子效率优异且高温条件下的发光特性优异的包括YAG系或LuAG系单晶的粒子状的荧光体。另外，通过使用该粒子状的荧光体，能够制造工作性能、可靠性优异的发光装置和投影仪。
另外，根据上述实施方式，能够提供下述[1]、[2]的荧光体、下述[3]的含荧光体构件、下述[4]、[5]的发光装置、下述[6]、[7]的投影仪、下述[8]、[9]的荧光体的制造方法。
[1]一种荧光体，由将利用提拉法培育出的单晶荧光体块粉碎而得到的单晶荧光体粒子的群构成，
每个上述单晶荧光体粒子具有由组成式(Y1-x-y-zLuxGdyCez)3+aAl5-aO12(0≤x≤0.9994，0≤y≤0.0669，0.001≤z≤0.004，-0.016≤a≤0.315)表示的组成，
在上述单晶荧光体粒子的群中，上述组成式的z在0.001以上0.004以下的范围内连续地分布。
[2]根据上述[1]所述的荧光体，每个上述单晶荧光体粒子的上述组成式的z为0.0015≤z≤0.0035，
在上述单晶荧光体粒子的群中，上述组成式的z在0.0015以上0.0035以下的范围内连续地分布。
[3]一种含荧光体构件，具有：
上述[1]或[2]所述的荧光体；以及
密封构件或粘合剂，上述密封构件将上述荧光体密封，包括透明的无机材料，上述粘合剂将上述荧光体的粒子彼此接合，包括无机材料。
[4]一种发光装置，具有：
含荧光体构件，其具有：上述[1]或[2]所述的荧光体；以及密封构件或粘合剂，上述密封构件将上述荧光体密封，包括透明的无机材料，上述粘合剂将上述荧光体的粒子彼此接合，包括无机材料；以及
发光元件，其发出用于激发上述荧光体的蓝色光。
[5]根据上述[4]所述的发光装置，上述发光元件为激光二极管。
[6]一种投影仪，具有：
含荧光体构件，其具有：上述[1]或[2]所述的荧光体；以及密封构件或粘合剂，上述密封构件将上述荧光体密封，包括透明的无机材料，上述粘合剂将上述荧光体的粒子彼此接合，包括无机材料；以及
发光元件，其发出用于激发上述荧光体的蓝色光，
图像形成部，其使用从上述含荧光体构件发出的荧光形成图像；以及
透镜，其将上述图像形成部所形成的上述图像投影到外部的投影面。
[7]根据上述[6]所述的投影仪，上述发光元件为激光二极管。
[8]一种荧光体的制造方法，包含将通过提拉法培育出的单晶荧光体块粉碎，形成包括分别具有由组成式(Y1-x-y-zLuxGdyCez)3+aAl5-aO12(0≤x≤0.9994，0≤y≤0.0669，0.001≤z≤0.004，-0.016≤a≤0.315)表示的组成的单晶荧光体粒子的群的荧光体的工序，
上述单晶荧光体粒子的群的上述组成式的z在0.001以上0.004以下的范围内连续地分布。
[9]根据上述[8]所述的荧光体的制造方法，每个上述单晶荧光体粒子的上述组成式的z为0.0015≤z≤0.0035，
在上述单晶荧光体粒子的群中，上述组成式的z在0.0015以上0.0035以下的范围内连续地分布。
实施例1
在本实施例中，调查了上述第1实施方式的单晶荧光体块16的Ce浓度分布。
下面的表1示出通过CZ法培育出的在Y位包含Lu的单晶荧光体块16中的、在平行于培育方向的方向上离与晶种15的界面的距离和表示Ce浓度的组成式的z的值、CIE色度的x坐标及CIE色度的y坐标之间的关系。
[表1]
表1示出了离与晶种15的界面的距离越大，则Ce浓度越增加，并且，荧光色越从绿色侧移向黄色侧。
实施例2
在本实施例中，调查了图7A、图7B所示的方式的含荧光体构件的发光特性的温度依赖性。
在本实施例的含荧光体构件中，将Al基板用作基板，将SiOx系的无机密封材料用作密封材料，将粒径(D50)为大致60μm的第1实施方式的粒子状的单晶荧光体用作荧光体。
图10是示出实施例2的评价光学系统的构成的示意图。该评价光学系统具有：作为光源的蓝色的激光二极管阵列41；含荧光体构件43，其将从激光二极管阵列41发出并通过了聚光透镜42的蓝色光的一部分吸收而激发，发出黄色的荧光；分色镜44，其使由从含荧光体构件43发出的黄色的荧光和未被含荧光体构件43吸收而被反射的蓝色光所构成的白色光之中的蓝色光透射过，而使黄色的荧光反射；光敏二极管45，其接收黄色光而产生光电流；以及遮光板46，其使光敏二极管45仅接收被分色镜44反射的光。
图11A是示出含荧光体构件43中的荧光体使用了现有的YAG系多晶荧光体的情况下的、激光二极管阵列41的输出与密封材料的厚度不同的3种含荧光体构件43的被密封的荧光体的表面温度的关系的坐标图。
图11B是示出含荧光体构件43中的荧光体使用了现有的YAG系多晶荧光体的情况下的、激光二极管阵列41的输出与密封材料的厚度不同的3种含荧光体构件43的荧光强度的关系的坐标图。
在此，图11A、图11B的现有的YAG系多晶荧光体的粒径(D50)为15μm。另外，3种含荧光体构件43的密封材料的厚度为53μm、100μm、149μm。
图12A是表示含荧光体构件43中的荧光体使用了第1实施方式的YAG系单晶荧光体(将荧光体单晶块的组成分布在(Y0.6462Lu0.3528Ce0.0010)3.177Al4.823Ox～(Y0.6870Lu0.3109Ce0.0021)3.130Al4.870Ox的范围内的区域粉碎而得到的单晶荧光体)的情况下的、激光二极管阵列41的输出与密封材料的厚度不同的3种含荧光体构件43的被密封的荧光体的表面温度的关系的坐标图。
图12B是表示含荧光体构件43中的荧光体使用了第1实施方式的YAG系单晶荧光体(将荧光体单晶块的组成分布在(Y0.6462Lu0.3528Ce0.0010)3.177Al4.823Ox～(Y0.6870Lu0.3109Ce0.0021)3.130Al4.870Ox的范围内的区域粉碎而得到的单晶荧光体)的情况下的、激光二极管阵列41的输出与密封材料的厚度不同的3种含荧光体构件43的荧光强度的关系的坐标图。
在此，图12A、图12B的YAG系单晶荧光体的粒径(D50)为20μm。另外，3种含荧光体构件43的密封材料的厚度为77μm、101μm、162μm。
将图11A与图12A进行比较可知，就荧光体的表面温度上升相对于激光二极管阵列41的输出的斜率而言，第1实施方式的YAG系单晶荧光体比现有的YAG系多晶荧光体小(即热阻小)。
另外，现有的YAG系多晶荧光体，当表面温度超过大致100～150℃时，随着内部量子效率的下降，温度上升的斜率变大，而第1实施方式的YAG系单晶荧光体，到大致200℃左右为止，温度上升的斜率基本恒定。
其结果是，如图11B和图12B所示，现有的YAG系多晶荧光体的荧光强度的最大值是密封材料的厚度为53μm时的29，而第1实施方式的YAG系单晶荧光体的荧光强度的最大值是密封材料的厚度为101μm时的39。此外，密封材料的厚度为77μm时的第1实施方式的YAG系单晶荧光体的荧光强度在激光二极管阵列41的输出上升至78W时仍未饱和，能期待得到更高的荧光强度。
本发明不限于上述的实施方式和实施例，能在不脱离发明的主旨的范围内进行各种变形实施。例如，虽然在第2实施方式中，作为使用了第1实施方式的荧光体和发光元件的发光装置的一例举出了前照灯，但发光装置不限于此。
另外，在上述的实施方式和实施例中，也可以取代所使用的将粒子状的荧光体密封的密封材料，而使用将荧光体的粒子彼此接合的粘合剂。通过粘合剂接合的荧光体的粒子在用作上述的实施方式和实施例中的反射型的含荧光体构件的情况下，被设置到反射镜基板等表面具有高反射率的基板上。另外，通过粘合剂接合的荧光体的粒子具有能自我维持的强度，因此，在用作透射型的含荧光体构件的情况下，能够在接合成平板状的状态下以单体的方式使用。不过，为了散热，也可以设置到蓝宝石基板等热传导率大的透明基板上。粘合剂包括SiO2系或Al2O3系等无机材料。
另外，上述的实施方式和实施例不限定权利要求所涉及的发明。另外，应当注意，实施方式和实施例中所说明的特征的所有组合对用于解决发明的问题的方案来说并非一定都是必须的。
工业上的可利用性
提供外部量子效率优异且高温条件下的发光特性优异的包括YAG系或LuAG系单晶的粒子状的荧光体及其制造方法、包含该荧光体的含荧光体构件以及具有该含荧光体构件的发光装置或投影仪。
附图标记说明
16…单晶荧光体块，18…粉碎区域，30…投影仪，31…激光二极管，33…含荧光体构件，33a…透明基板，33b…密封材料，33c…荧光体。

Claims (9)

1.一种荧光体，为粒子状，包括具有由组成式(Y1-x-y-zLuxGdyCez)3+aAl5-aO12(0≤x≤0.9994，0≤y≤0.0669，0.001≤z≤0.004，-0.016≤a≤0.315)表示的组成的单晶，粒径(D50)为20μm以上。
2.根据权利要求1所述的荧光体
粒径(D50)为120μm以下。
3.一种含荧光体构件，具有：
权利要求1或2所述的荧光体；以及
密封构件或粘合剂，上述密封构件将上述荧光体密封，包括透明的无机材料，上述粘合剂将上述荧光体的粒子彼此接合，包括无机材料。
4.一种发光装置，具有：
含荧光体构件，其具有：权利要求1或2所述的荧光体；以及密封构件或粘合剂，上述密封构件将上述荧光体密封，包括透明的无机材料，上述粘合剂将上述荧光体的粒子彼此接合，包括无机材料；以及
发光元件，其发出用于激发上述荧光体的蓝色光。
5.根据权利要求4所述的发光装置，
上述发光元件为激光二极管。
6.一种投影仪，具有：
含荧光体构件，其具有：权利要求1或2所述的荧光体；以及密封构件或粘合剂，上述密封构件将上述荧光体密封，包括透明的无机材料，上述粘合剂将上述荧光体的粒子彼此接合，包括无机材料；
发光元件，其发出用于激发上述荧光体的蓝色光；
图像形成部，其使用从上述含荧光体构件发出的荧光形成图像；以及
透镜，其将上述图像形成部所形成的上述图像投影到外部的投影面。
7.根据权利要求6所述的投影仪，
上述发光元件为激光二极管。
8.一种荧光体的制造方法，包含如下工序：将具有由组成式(Y1-x-y-zLuxGdyCez)3+aAl5- aO12(0≤x≤0.9994，0≤y≤0.0669，0.001≤z≤0.004，-0.016≤a≤0.315)表示的组成的单晶荧光体块粉碎，形成包括具有上述组成的单晶且粒径(D50)为20μm以上的粒子状的荧光体。
9.根据权利要求8所述的荧光体的制造方法，
粒径(D50)为120μm以下。
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