JP2022067867A - 波長変換部材、プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも発光効率の高い蛍光発光素子を実現する。【解決手段】本発明に係る蛍光発光素子は、無機系の窒化物蛍光体材料からなる複数の蛍光体粒と、少なくとも前記蛍光体粒の周縁部分に形成され粒径がサブミクロンオーダーである第一ＭｇＯ粒と、隣接する蛍光体粒の周縁部分に位置するそれぞれの第一ＭｇＯ粒同士を連絡するように形成され粒径が第一ＭｇＯ粒の２倍以上である第二ＭｇＯ粒とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、蛍光体を含む波長変換部材に関する。また、本発明は、かかる波長変換部材を搭載したプロジェクタに関する。

従来、蛍光体を含有してなる波長変換部材を有する蛍光発光素子と、半導体レーザ素子からなる励起光源とを備え、励起光源から出射される光（レーザ光）を蛍光体に照射して蛍光を発生させる蛍光光源装置が知られている。このような蛍光光源装置で生成された蛍光は、例えばプロジェクタ用の光源として利用される。

例えば、特許文献１には、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光体とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなるバインダとで構成された波長変換部材が開示されている。

また、特許文献２には、ガーネット構造を有する酸化物蛍光体（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂： Ｃｅ³⁺、Ｌｕ³Ａｌ⁵Ｏ¹²： Ｃｅ³⁺等）からなる蛍光体粒子と、酸化マグネシウム粒子との混合粒子を焼結することで、蛍光体粒子が酸化マグネシウム粒子に結着されてなる波長変換部材が開示されている。このような波長変換部材は、蛍光体粒子と酸化マグネシウム粒子を所定の割合で混合した原料粉末を予備成形した後、焼成することにより製造される。

特許第５９００５６３号公報 特開２０１８－１８０２７１号公報

従来、プロジェクタ等では、蛍光体とシリコーン樹脂を混合した蛍光ホイールが利用される場合があった。この蛍光ホイールは、励起光が照射されて蛍光を発する際に生じる熱を排出する観点から、モータ等の駆動系を介して回転制御が行われるのが一般的である。しかし、駆動のための機構が必要となるため、装置構成が複雑化する。かかる観点から、本出願人は、固定式の蛍光発光素子の開発を進めている。

蛍光の強度を高めるためには、入射される励起光の強度を高める必要があるが、強度の高い励起光が波長変換部材に対して入射され続けると、波長変換部材の温度が上昇してしまう。蛍光体は、例えば１５０℃といった高温になると、温度消光と呼ばれる現象が生じ、発光効率が低下することが知られている。従って、高い発光効率を実現するためには、波長変換部材の温度が上昇しないように排熱性を高める必要がある。この事情は、高輝度の蛍光発光素子を実現するためには、より顕著になる。

本発明者の鋭意研究によれば、上述した特許文献２の構造の波長変換部材を含む蛍光発光素子の場合には、高い蛍光発光効率が得られないことを突き止めた。本発明者は、この理由が以下の２点にあると考えている。

第一の理由は、特許文献２に記載された構造の波長変換部材の場合、冷却性能が充分に得られず、上述した温度消光に起因した発光効率の低下が生じたためである。第二の理由は、酸化マグネシウムの粒子によって入射された励起光が散乱することにより、蛍光体粒子に対して高い光量で励起光が入射されなかったためである。

なお、特許文献２によれば、一次焼成後、焼成温度を一次焼成温度の±１５０℃としてＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理を施すことで、光の散乱が抑制できると記載されている。しかし、この方法を行うには、焼成処理後に、チャンバから焼成後のプレートを取り出した後、別の装置（ＨＩＰ装置）内にプレートを搬入する必要がある等、製造工程が煩雑化する。

本発明は、上記の課題に鑑み、従来よりも発光効率の高い蛍光発光素子を実現可能な、波長変換部材を提供することを目的とする。また、本発明は、このような波長変換部材が搭載されたプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明に係る波長変換部材は、
無機系の窒化物蛍光体材料からなる複数の蛍光体粒と、
少なくとも前記蛍光体粒の周縁部分に形成され、粒径がサブミクロンオーダーである、第一ＭｇＯ粒と、
隣接する前記蛍光体粒子の周縁部分に位置するそれぞれの前記第一ＭｇＯ粒同士を連絡するように形成され、粒径が前記第一ＭｇＯ粒の２倍以上である第二ＭｇＯ粒とを含むことを特徴とする。

本明細書において、単に「粒」と記載されている場合には、他の「粒子」と分離して存在している「粒子」と、粒子同士が結合することで「粒子」としては分離されていないものの、「粒界」によって境界の識別が可能な「狭義の粒」とを含む概念である。

上記構造の波長変換部材によれば、隣接する蛍光体粒同士の間の位置には、粒径が相対的に大きい酸化マグネシウム粒（第二ＭｇＯ粒）が形成されている。これにより、入射された励起光の散乱が抑制され、励起光を高い割合で蛍光体粒に導くことができ、外部量子効率が高められる。更に、蛍光体粒同士の間の領域は多く存在するため、この領域に粒径が相対的に大きな第二ＭｇＯ粒が存在することで、高い熱伝導率が確保され、排熱性に優れる。第二ＭｇＯ粒は、より好ましくは粒径が１．４μｍ以上である。

また、蛍光体粒の周縁部分すなわち近傍には、粒径が極めて小さいサブミクロンオーダーの酸化マグネシウム粒（第一ＭｇＯ粒）が存在する。これにより、製造時において蛍光体粒子と酸化マグネシウム粒子との反応が抑制され、蛍光体粒子の組成変化が防止できる。第一ＭｇＯ粒は、より好ましくは粒径が０．３μｍ以下である。

励起光が、当該励起光の波長と同程度の大きさの粒子に入射されると、ミー散乱を生じる。このため、波長変換部材に入射された励起光の散乱を抑制するためには、波長変換部材内に含まれる粒を、励起光の波長に対して充分小さくするか、逆に充分大きくするのが好適である。よって、相対的に粒径の小さい第一ＭｇＯ粒の粒径を励起光の波長よりも充分小さい値とし、逆に、相対的に粒径の大きい第二ＭｇＯ粒の粒径を励起光の波長よりも充分大きい値とすることで、排熱性を高めつつ、励起光の散乱が抑制でき、蛍光変換効率が高められる。

つまり、本発明に係る波長変換部材によれば、高い排熱性を確保しつつ、蛍光の散乱が抑制できる。また、上記構造の蛍光発光素子は、１回の焼結処理で製造することができるため、簡易な製造工程で実現できる。詳細は、「発明の詳細な説明」の項で後述される。

前記第二ＭｇＯ粒は多結晶体を構成するものとしても構わない。

粒子の焼結は、粉末成形体を加熱して焼き固める現象を指す。製品になる粉末成形体が高温にさらされると、粉末粒子同士が結合される。この結合部分は、一般的に「ネック」と称される。焼結が進むに連れ、粉末粒子の表面や接合部から物質が移動して、ネック表面に原子等が拡散しネックが成長する。この状態は、粒子間が結着しており、焼結初期の段階に対応する。この時点では、ネックが存在することから気孔の割合が高くなる。特許文献２に記載された構造の場合、粒子間が結着しているため、気孔が多く存在していたものと推定される。気孔は、ＭｇＯよりも熱伝導率が低いため、気孔が多く存在すると排熱性が低下する。

これに対し、粒径の大きい前記第二ＭｇＯ粒を多結晶体とすることで、極めて緻密な構造となり、気孔をほとんど有しないバルク状態にできる。これにより、特許文献２に記載された構造と比較して高い排熱性が実現される。このような構造は、閉気孔が生じる程度に焼結処理を進行させることで実現できる。

前記蛍光体粒は、Ｌａ及びＳｉを含む窒化物材料からなるものとしても構わない。一例として、前記蛍光体粒は、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁、(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁等を用いることができる。

前記蛍光体粒は、２種類以上の異なる組成を示す窒化物蛍光体材料からなるものとしても構わない。

蛍光体の材料としては、特許文献１に記載されているような、ガーネット構造をもつＹＡＧ蛍光体が広く利用されている。これに対し、窒化物材料からなる蛍光体は、ガーネット構造をもつＹＡＧ蛍光体と比較して、長波長化をしたときの温度消光の影響が小さいという性質を示す。このため、窒化物材料からなる蛍光体は、ＹＡＧ蛍光体と比較して赤色光の強度増加が可能となる。

上記構造のように、波長変換部材が２種類以上の窒化物材料からなる蛍光体粒を含むことで、励起光の散乱が少なく、高輝度で効率のよい赤補色の蛍光発光素子が実現される。

前記波長変換部材は、相対密度が９７％以上としても構わない。本明細書において、「相対密度」とは、理論密度に対する焼結体の見かけ密度の比率を指す。相対密度を９７％以上と高くすることで、内部に存在する気孔の量が少なくなり、高い排熱性が実現される。

前記波長変換部材において、前記蛍光体粒の粒径は４μｍ以上、３０μｍ以下とするのが好適である。

蛍光体粒の粒径が４μｍ未満と極めて小さい場合には、蛍光体粒子が活性となりＭｇＯとの化学的反応が生じるため、蛍光効率が低下してしまう。一方、蛍光体粒子の粒径が３０μｍより大きくなると、波長変換部材を薄くした場合、機械的強度が低下するため破損しやすくなる。

前記波長変換部材において、全体質量に対する前記蛍光体粒の質量割合が３０％以下であるのが好適である。

蛍光体粒の質量割合が３０質量％を超える程度に波長変換部材内に存在すると、蛍光体同士が接触しプレス圧力がバインダーに加わらなくなるのでバインダーの焼結が進まなくなる場合がある。なお、蛍光体粒子の質量割合があまりに低いと高い蛍光輝度が得られなくなるため、１０質量％以上とするのが好ましい。

また、本発明に係るプロジェクタは、
励起光を発する励起光源と、
前記励起光が入射される前記波長変換部材と、
前記波長変換部材から出射される蛍光及び前記励起光が入射される光学系とを備えたことを特徴とする。

本発明の波長変換部材によれば、従来よりも発光効率の高い蛍光発光素子を実現することができる。

本発明の波長変換部材を含む蛍光発光素子を搭載した、蛍光光源装置の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。 蛍光発光素子の構成の一例を模式的に示す断面図である。 波長変換部材の模式的な断面図である。 波長変換部材のＳＥＭ写真像である。 図４の一部拡大写真である。 図５とは別の箇所における、図４の一部拡大写真である。 図５及び図６とは別の箇所における、図４の一部拡大写真である。 隣接する蛍光体粒の間に位置するＭｇＯ粒の粒径と、励起光の散乱割合ｒ１及び外部量子効率ｅ１との関係を示すグラフである。 ２種類の組成の蛍光体粒を含む波長変換部材に対して、励起光を照射したときの発光スペクトルの一例である。 プロジェクタの構成例を模式的に示す図面である。

本発明の波長変換部材の構成につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図において、図面上の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

［構造］
図１は、波長変換部材を含む蛍光発光素子を搭載した、蛍光光源装置の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。図１に示す蛍光光源装置１は、励起光源２と、ダイクロイックミラー３と、蛍光発光素子１０とを備える。

励起光源２は、例えば主ピーク波長が４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の青色領域の光を出射する半導体レーザ素子を含んで構成される。励起光源２は、必要に応じてコリメートレンズなどの光学系を備える。

蛍光発光素子１０は、後述する波長変換部材３０を含んで構成される（図３参照）。励起光源２から出射された励起光２１が蛍光発光素子１０に照射されると、波長変換部材３０内の蛍光体粒３５が励起され、蛍光発光素子１０から蛍光２２が放射される。蛍光２２は、励起光２１よりも長波長の光であり、例えば、主ピーク波長が５００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下であり、励起光よりも帯域幅がブロードである。本明細書において、「主ピーク波長」とは、スペクトル上において最も高い光強度を示す波長を指す。

図１に示される蛍光光源装置１において、ダイクロイックミラー３は、励起光源２から出射される励起光２１を透過し、蛍光発光素子１０から出射される蛍光２２を反射するように構成されている。ダイクロイックミラー３は、ミラー面が例えば励起光２１の入射角度に対して４５°の角度で傾斜するように配置されている。かかる構成とすることで、蛍光２２が蛍光光源装置１の外部に取り出され、例えば、図示しない後段の光学系に入射される。

後述されるように、蛍光発光素子１０は、排熱性に優れた波長変換部材３０を備えるため、冷却のために別途の回転ホイールなどに設置する必要がなく、装置の所定の箇所に固定的に設置できる。

図２は、蛍光発光素子１０の構成の一例を模式的に示す断面図である。蛍光発光素子１０は、基板１１と、接合層１２と、反射層１３と、波長変換部材３０とを有する。

（基板１１）
基板１１は、波長変換部材３０で発せられた熱を排熱するために設けられている。基板１１は、例えば熱伝導率が９０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上、具体的には例えば２３０～４００［Ｗ／ｍ・Ｋ］である材料で構成される。このような材料の例としては、Ｃｕ、銅化合物（ＭｏＣｕ、ＣｕＷなど）、Ａｌ、ＡｌＮなどが挙げられる。

基板１１の厚みは、例えば０．５ｍｍ～５ｍｍである。また、排熱性などの観点から、基板１１の表面における面積は、波長変換部材３０の面積よりも大きいことが好ましい。

（接合層１２）
接合層１２は、基板１１と波長変換部材３０とを接合する層であり、例えばハンダ材料からなる。排熱性などの観点から、接合層１２を構成する材料としては、例えば熱伝導率が４０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であるものが用いられることが好ましい。より詳細には、例えば、Ｓｎ、Ｐｂなどの材料にフラックスやその他の不純物を混ぜてクリーム状（ペースト状）の形態としたクリームハンダ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系ハンダ、Ａｕ－Ｓｎ系ハンダなどを用いることができる。接合層１２の厚みは、例えば２０μｍ～２００μｍである。

なお、図示していないが、基板１１と接合層１２との接合性を更に高める観点から、基板１１と接合層１２との間に、例えばメッキ法によって形成された、Ｎｉ／Ａｕ膜よりなる金属膜が形成されているものとしても構わない。この金属膜の厚みは、例えばＮｉ／Ａｕ＝１０００ｎｍ～５０００ｎｍ／３０ｎｍ～１０００ｎｍとすることができる。

（反射層１３）
反射層１３は、波長変換部材３０の面のうちの、基板１１側の面に形成されている。この反射層１３は、波長変換部材３０で生成された蛍光２２のうち、光取り出し面１０ａとは反対側（基板１１側）に進行した蛍光２２を反射させて、光取り出し面１０ａに導くために設けられている。反射層１３は、例えば、Ａｌ、Ａｇ等の金属膜や、前記金属膜上に誘電体多層膜を形成した増反射膜などで構成されることができる。

なお、図示していないが、波長変換部材３０と接合層１２との接合性を更に高める観点から、波長変換部材３０の面のうちの、基板１１側の面、より具体的には、反射層１３と波長変換部材３０との間に、例えば蒸着によって形成されたＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜、Ｎｉ／Ａｕ膜よりなる金属膜が形成されているものとしても構わない。この金属膜の厚みは、例えばＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ＝３０ｎｍ／５００ｎｍ／５００ｎｍとすることができる。

（波長変換部材３０）
波長変換部材３０は、反射層１３の上層に形成されている。波長変換部材３０は、励起光源２から出射される励起光２１が入射されると、蛍光２２を出射する。波長変換部材３０は、一例として平板状の構造を示し、より詳細には、基板１１の面に直交する方向から見たときに矩形状を示す。波長変換部材３０の厚みは、例えば０．０５ｍｍ～１ｍｍである。

図２に示すように、波長変換部材３０は、基板１１とは反対側に位置する面、すなわち光取り出し面１０ａ側において、微細な凹凸加工が施されたモスアイ構造３０ａを有しているものとしても構わない。ただし、本発明の波長変換部材３０は、表面にモスアイ構造３０ａを有するか否かは任意である。

図３は、波長変換部材３０の模式的な断面図である。図４～図７は、いずれも波長変換部材３０のＳＥＭ写真である。図３は、ＳＥＭ写真の像を模式的に図示したものである。

波長変換部材３０は、蛍光体粒３５と、酸化マグネシウム粒（３１，３２）とを含んで構成される。なお、図３には図示されていないが、蛍光光源装置１として利用される間に、経時的に波長変換部材３０が大気中の水分を吸収して蛍光変換効率を低下させるのを抑制する目的で、波長変換部材３０の表面近傍をジルコニア（ＺｒＯ₂）で形成しても構わない。つまり、図２を参照して上述したように、波長変換部材３０の表面近傍にモスアイ構造３０ａが形成されている場合には、このモスアイ構造３０ａがジルコニアで形成される。

蛍光体粒３５は、無機系の窒化物蛍光体材料からなる。一例として、蛍光体粒３５は、組成式Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁、(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁で表され、適宜、希土類化合物（Ｃｅ等）が賦活されたＬＳＮ蛍光体からなる。蛍光体粒３５は、波長変換部材３０内において主として分散的に配置される。すなわち、蛍光体粒３５は、粒子の性質を残した状態で波長変換部材３０内に存在するものとしても構わない。蛍光体粒３５の粒径は、好ましくは４μｍ～３０μｍ程度であり、より好ましくは５μｍ～２０μｍである。ただし、本発明において、蛍光体粒３５の粒径は限定されない。

なお、製造条件によっては、一部の蛍光体粒３５同士が接触する場合もある。しかしながら、波長変換部材３０内に存在する蛍光体粒３５のうち、他の蛍光体粒３５と接触した状態で存在するものは、全体の１０％未満である。本発明は、このように一部の蛍光体粒３５同士が隣接して接触する構成を排除するものではない。

波長変換部材３０は、粒径が大きく異なる酸化マグネシウム粒（３１，３２）を備える。これらのうち、粒径が相対的に小さい、サブミクロンオーダーの酸化マグネシウム粒３１（以下、「第一ＭｇＯ粒３１」と称する。）は、主として蛍光体粒３５の周縁部分に形成されている。また、粒径が相対的に大きい、ミクロンオーダーの酸化マグネシウム粒３２（以下、「第二ＭｇＯ粒３２」と称する。）は、分散して存在する蛍光体粒３５同士の周縁に形成される第一ＭｇＯ粒３１同士を連絡するように形成される。言い換えれば、分散して配置された蛍光体粒３５同士は、蛍光体粒３５の近傍付近に形成された第一ＭｇＯ粒３１と、その外側の領域に形成された第二ＭｇＯ粒３２とによって連絡される。第二ＭｇＯ粒３２は、第一ＭｇＯ粒３１の粒径の２倍以上の粒径を示しており、両者はＳＥＭ写真に基づいて明らかに識別が可能である。この点は、図４～図７のＳＥＭ写真を参照して後述される。

第一ＭｇＯ粒３１は、好ましくは粒径が０．３μｍ以下である。なお、後述するように、波長変換部材３０は、粒子粉末を混合した後、昇温して焼結することにより製造される。この昇温の際に、粒子が粒成長をする。つまり、第一ＭｇＯ粒３１の粒径の下限値は、製造時に混在される酸化マグネシウムの微粒子の粒径や粒成長の程度にも依存するが、概ね０．０５μｍ以上である。第一ＭｇＯ粒３１は、ＭｇＯ粒子としての性質を残した状態で波長変換部材３０内に存在するものとしても構わない。

第二ＭｇＯ粒３２は、好ましくは粒径が１．４μｍ以上である。なお、第二ＭｇＯ粒３２の粒径の上限値は特に制限がないが、概ね２０μｍ以下である。第二ＭｇＯ粒３２は、隣接する第二ＭｇＯ粒３２との間で粒界を介して結合されており、実質的に多結晶体を構成する。すなわち、第二ＭｇＯ粒３２は、実質的に粒子としての性質を示さない。ただし、製造条件によっては、一部の第二ＭｇＯ粒３２が粒子としての性質を示す状態で存在していても構わない。ただし、その割合は５％未満である。

また、製造条件によっては、隣接する蛍光体粒３５同士の間の位置に第一ＭｇＯ粒３１が残留することがある。しかしながら、波長変換部材３０内に存在する第一ＭｇＯ粒３１のうち、蛍光体粒３５の周縁部分ではなく、隣接する蛍光体粒３５同士の間の位置に存在するものは、全体の１０％未満である。本発明は、このように一部の第一ＭｇＯ粒３１が、蛍光体粒３５の周縁部分でなく、隣接する蛍光体粒３５同士の間に存在する構成を排除するものではない。

図３では、第一ＭｇＯ粒３１が、蛍光体粒３５の周縁を完全に覆うように形成されている構造が図示されている。しかし、第一ＭｇＯ粒３１は、少なくとも蛍光体粒３５の周縁の一部分に形成されていればよい。言い換えれば、本発明は、蛍光体粒３５の一部分が、第二ＭｇＯ粒３２の一部分と接触する構成を排除するものではない。ただし、波長変換部材３０内に存在する第二ＭｇＯ粒３２のうち、隣接する蛍光体粒３５同士の間の位置ではなく蛍光体粒３５の周縁部分に位置するものは、全体の１０％未満である。

図４のＳＥＭ写真像には、蛍光体粒３５のうちの２つの蛍光体粒（３５ａ，３５ｂ）と、第二ＭｇＯ粒３２のうちの１つの第二ＭｇＯ粒３２ａとに対して、符号が付されている。図５～図７は、いずれも図４のＳＥＭ写真を拡大したものである。図５は、蛍光体粒３５ａの近傍領域の拡大写真である。図６は、蛍光体粒３５ｂの近傍領域の拡大写真である。図７は、第二ＭｇＯ粒３２ａの近傍領域の拡大写真である。

図５によれば、蛍光体粒３５ａの周縁には、極めて粒径の小さい第一ＭｇＯ粒３１が位置していることが確認される。同様に、図６によれば、蛍光体粒３５ｂの周縁には、極めて粒径の小さい第一ＭｇＯ粒３１が位置していることが確認される。

また、図７は、２つの蛍光体粒（３５ａ，３５ｂ）の間の位置に形成された、第二ＭｇＯ粒３２ａの近傍の拡大写真であるが、この写真によれば、第二ＭｇＯ粒３２ａの周囲は、第二ＭｇＯ粒３２ａとほぼ同サイズのマグネシウム粒子（第二ＭｇＯ粒３２）が存在していることが確認される。なお、図７に示される第二ＭｇＯ粒３２は、粒界によって各粒が識別できるものの、全体として多結晶化されている。

［製造方法］
波長変換部材３０は、例えば以下の方法で製造できる。

まず、蛍光体粒３５を構成する無機系窒化物材料からなる粒子（一例としてＬａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁で規定されるＬＳＮ蛍光体の粒子）と、ＭｇＯ粒子とを混合して混合粉を得る。混合粉に対する蛍光体粒子の質量割合は、例えば、１０質量％以上、４０質量％以下である。なお、混合時にＢ₂Ｏ₃等からなる助剤を微量（３質量％以下）に含むものとしても構わない。

混合粉を得る方法としては、ボールミル、Ｖブレンダーなどの乾式混合法を用いる方法や、酸化マグネシウム粒子と蛍光体の粒子に所定の溶媒を加えてスラリー状態にした後、ボールミル、ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー、二軸混練機などを用いた湿式混合法を用いて混合させた後、得られたスラリーを所定の温度で溶媒を揮発させる方法を採用することができる。

得られた混合粉を加圧下で板形状に成形する。成形方法としては、一軸金型成形や、冷間静水圧成形などの手法を用いることができる。

次に、成形体を焼結する。具体的には、所定の炉や加熱装置内に成形体を設置して、焼結に必要な温度まで加熱する。焼結処理時には、いったん真空にして成形体に含まれる水分を脱離させるのが好ましい。その後、昇温時には、所定の気圧で窒素ガス雰囲気とする。窒素ガス雰囲気とすることで、焼結処理時に蛍光体粒子を構成する窒素原子の脱離が抑制され、緻密な焼結体が実現される。ただし、製造時の雰囲気は窒素ガスには限られず、Ａｒ雰囲気としても構わない。

なお、上述したように、波長変換部材３０の表面近傍をジルコニア（ＺｒＯ₂）で形成する場合には、この焼結工程の後、研磨処理を経てスパッタリングによってＺｒＯ₂が蒸着される。

その後、得られた焼結体の一方の面（ＺｒＯ₂が蒸着されている場合にはＺｒＯ₂の蒸着面）に対してエッチング処理を施すことで、微細なモスアイ構造３０ａを有する波長変換部材３０が生成される。得られた波長変換部材３０は、光取り出し面１０ａとは反対側の面に反射層１３が形成され、接合層１２を介して基板１１に固定される。

［検証］
下記表１は、製造条件を異ならせて波長変換部材３０のサンプルを６種類製造した。具体的には、焼結時の窒素ガス圧をそれぞれ異ならせて、６種類のサンプル（Ｐ１～Ｐ６）を製造した。各サンプル（Ｐ１～Ｐ６）の寸法は、いずれも、縦×横×厚みが３ｍｍ×３ｍｍ×０．１３ｍｍで共通とされた。焼結対象となる材料としては、いずれもＬＳＮ蛍光体粒子を１９．８質量％、ＭｇＯ粒子を７９．４質量％、助剤としてのＢ₂Ｏ₃粒子を０．８質量％含む混合物が採用された。

得られた各サンプル（Ｐ１～Ｐ６）に含まれる、ＭｇＯ粒の粒径及び相対密度を測定した。また、それぞれに対して主ピーク波長が４５０ｎｍの励起光２１を照射したときの、内部量子効率、励起光２１の散乱割合ｒ１、及び外部量子効率ｅ１をそれぞれ測定した。結果を、下記表１及び図８に示す。図８は、隣接する蛍光体粒３５の間に位置するＭｇＯ粒の粒径と、励起光２１の散乱割合ｒ１及び外部量子効率ｅ１との関係を示すグラフである。

なお、図８及び表１に示すように、６種類のサンプルの中には、隣接する蛍光体粒３５の間に位置するＭｇＯ粒の粒径が１μｍ未満のサンプル（Ｐ１～Ｐ３）と、隣接する蛍光体粒の間に位置するＭｇＯ粒子の粒径が１μｍ以上、より詳細には１．４μｍ以上であるサンプル（Ｐ４～Ｐ６）が存在する。

なお、表１における各値の測定方法は、以下の通りである。

（１）ＭｇＯ粒の粒径は、それぞれのサンプル（Ｐ１～Ｐ６）のＳＥＭ画像に基づき、３０箇所のＭｇＯ粒の形状に基づいて算定した粒径の平均値が採用された。より具体的には、ＳＥＭ画像上に映るＭｇＯ粒の中から、比較的円形に近い粒を選択し、最短と最長の平均を求めることにより一のＭｇＯ粒の粒径が算定された。他のＭｇＯ粒に対しても同様の方法で算定が行われ、この算定値の平均値が粒径とされた。

（２）各サンプル（Ｐ１～Ｐ６）の相対密度は、各サンプルの体積と、製造時に利用された材料の混合比を考慮した質量とに基づいて算定された。

（３）各サンプル（Ｐ１～Ｐ６）の内部量子効率は、ＪＩＳ Ｒ １６９７（白色発光ダイオード用蛍光体の積分球を用いた内部量子効率絶対測定方法）に準拠した方法で測定された。

詳細には、まず積分球内に拡散板を配置し、励起光源２から励起光２１を照射して、受光した励起光２１のパワーＷ１を測定した。次に、拡散板に替えて各サンプル（Ｐ１～Ｐ６）を設置し、励起光源２から同じ出力で励起光２１を照射し、受光した励起光２１のパワーＷ２及び蛍光２２のパワーＷ３を測定した。そして、Ｗ３／（Ｗ１－Ｗ２）によって得られた値が内部量子効率とされた。

（４）各サンプル（Ｐ１～Ｐ６）における励起光２１の散乱割合ｒ１は、ｒ１＝Ｗ２／Ｗ１によって得られた値とされた。

（５）各サンプル（Ｐ１～Ｐ６）の外部量子効率ｅ１は、ｅ１＝Ｗ３／Ｗ１によって得られた値とされた。

評価の方法は、以下の通りである。励起光２１の散乱割合ｒ１が１８％以下であり、且つ、外部量子効率ｅ１が５０％以上である場合を「Ａ」とした。評価「Ａ」に該当しなかったもののうち、外部量子効率ｅ１が４５％以上であり、焼結体として破損が見られなかったものを「Ｂ」とし、破損が発生したものを「Ｃ」とした。評価「Ａ」又は「Ｂ」の波長変換部材３０によれば、入射された励起光２１を高い割合で蛍光体粒３５に入射できると共に、蛍光体粒３５で生成された蛍光２２を高出力で外部に取り出すことができる。

表１によれば、サンプルＰ１は、他のサンプルＰ２～Ｐ６と比較して、内部量子効率が大幅に低下している。これは、１気圧の雰囲気で焼結されたことで、窒化物蛍光体の粒子から窒素が脱離し、近接位置に存在していた酸化マグネシウム粒子と反応をした結果、一部の蛍光体の組成が変化したものと考えられる。具体的には、窒化物蛍光体として用いられたＬａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁が、Ｌａ₂Ｓｉ₆Ｎ₈Ｏ₃やＬａＳｉ₃Ｎ₅等に変化したことで、励起光２１を蛍光２２に変換する機能が低下したものと考えられる。

また、サンプルＰ１は、他のサンプルＰ２～Ｐ６と比較して、隣接する蛍光体粒３５の間に位置するＭｇＯ粒の粒径が、蛍光体粒３５の近傍に位置するＭｇＯ粒の粒径と同程度に小さくなっていた。すなわち、サンプルＰ１では、隣接する蛍光体粒３５の間に位置するＭｇＯ粒は、「粒子」の性質を残しており、もろく、破損しやすい焼結体となっていた。

すなわち、サンプルＰ１の場合には、隣接する蛍光体粒３５の間に位置するＭｇＯ粒の粒径が小さいため、充分な排熱性も得られないことが分かった。

サンプルＰ２～Ｐ３は、サンプルＰ１と比べて、隣接する蛍光体粒３５の間に位置するＭｇＯ粒の粒径が、蛍光体粒３５の近傍に位置するＭｇＯ粒の粒径よりも大きく、内部量子効率も高い。これは、焼結時の周辺ガス圧等の焼結条件によって、サンプルＰ１よりも焼結が進行し、粒成長が進展したためと考えられる。このことは、サンプルＰ４～Ｐ６についても同様である。

ただし、サンプルＰ２～Ｐ３は、サンプルＰ４～Ｐ６と比較すると、励起光２１の散乱割合ｒ１は高いが、外部量子効率ｅ１の点では４７％以上を実現している。サンプルＰ４～Ｐ６の場合、いずれも励起光２１の散乱割合ｒ１が低下できており、外部量子効率ｅ１が更に高く５０％を超えていることが確認される。

特に、サンプルＰ４～Ｐ６の場合、隣接する蛍光体粒３５同士の間に位置するＭｇＯ粒の粒径が１．４μｍ以上であり、上述した第二ＭｇＯ粒３２が形成されている状態である。この第二ＭｇＯ粒３２は粒径が１．４μｍ以上と極めて大きく、励起光２１の主ピーク波長４５０ｎｍの値と比較して充分大きな値であるため、入射した励起光２１が第二ＭｇＯ粒３２に照射されてミー散乱が生じるのを抑制する効果が得られる。

サンプルＰ４～Ｐ６の場合、隣接する蛍光体粒３５同士の間に位置するＭｇＯ粒（第二ＭｇＯ粒３２）の粒径が大きいことで、蛍光体粒３５で発生した熱を効率的に排熱する効果も得ることができる。

また、サンプルＰ２～Ｐ６によれば、隣接する蛍光体粒３５同士の間に位置するＭｇＯ粒（第二ＭｇＯ粒３２）と比較して、蛍光体粒３５の近傍に位置するＭｇＯ粒の粒径を小さくできている（第一ＭｇＯ粒３１）。このことは、焼結時の気圧を高めて、隣接する蛍光体粒３５同士の間に位置するＭｇＯ粒については、バルク化する程度に焼結を進行しつつも、蛍光体粒３５の近傍に位置するＭｇＯ粒（第一ＭｇＯ粒３１）については、蛍光体粒３５との間での反応を抑制できていることを意味するものである。すなわち、焼結時に窒化物蛍光体粒子と酸化マグネシウム粒子との間での反応が抑制され、蛍光体材料の組成変化が抑制されている。

この理由としては、焼結時にガス圧を上げることで、窒化物蛍光体粒子に含まれる窒素原子の脱離が抑制された結果、窒化物蛍光体粒子の近傍に位置していた酸化マグネシウム粒子は、蛍光体粒子の存在によって粒成長があまり進行せず、粒径が小さくなったものと考えられる。一方、蛍光体粒子と蛍光体粒子の間に位置していた酸化マグネシウム粒子は、処理時に酸化マグネシウム粒子同士の結合が進み、粒成長が進行して粒径が大きく成長したものと考えられる。

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

〈１〉 波長変換部材３０は、異なる２種類以上の組成を示す蛍光体粒３５を含むものとしても構わない。窒化物蛍光体は、ガーネット構造をもつＹＡＧ蛍光体と比較して、長波長化をしたときの温度消光の影響が小さいという性質を示す。このため、窒化物蛍光体は、ＹＡＧ蛍光体と比較して赤色光の強度を高めることができる。

図９は、２種類の組成の蛍光体粒３５を含む波長変換部材３０に対して、励起光２１を照射したときの発光スペクトルの一例である。一の組成の蛍光体粒３５からは蛍光２２ａが発せられ、別の組成の蛍光体粒３５からは蛍光２２ｂが発せられる。これにより、蛍光２２を長波長化することができる。なお、図９では、比較のため、ＹＡＧ蛍光体に対して励起光が照射された場合の蛍光２２ｙのスペクトルが重ねて表示されている。

２種類の組成の蛍光体粒３５としては、例えば、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁と、(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁とを利用することができる。(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁は、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁に比べて長波長の蛍光を生成できる。

後述するように、特に蛍光発光素子１０をプロジェクタに利用する場合には、波長変換部材３０で得られた蛍光２２を用いて白色光が生成される。プロジェクタとして要求される白色光としては、例えばIEC 61966-2-1の規格で規定されたｓＲＧＢ色空間内において、色度座標上の白色点Ｄ６５（x=0.3127, y=0.3290）を満たすことが推奨されている。

波長変換部材３０が、単一のＬａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁からなる蛍光体粒３５を含む場合、波長変換部材３０で得られた蛍光２２と青色光（例えば励起光２１と同じ青色レーザ光）とを重ね合わせて上記規格を満たす白色光を生成しようとすると、Ｇ（緑色光）領域及びＲ（赤色光）領域の液晶フィルタの開閉率を、例えば７０％～８５％程度に設定する必要が生じる。この場合、一部の光が液晶フィルタで遮られてしまい、光ロスが生じる。

これに対し、波長変換部材３０が、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁と、これよりも長波長側の蛍光の生成が可能な(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁の２種類の蛍光体を含む場合、これらの混合率を調整することで、生成される白色光の色度値を規格値に近づけることができる。この結果、プロジェクタにおいて、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの液晶フィルタの開閉率を１００％に近づけることが可能となり、光ロスを低減できる。

かかる観点から、波長変換部材３０に含まれる蛍光体粒３５のうち、(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁の混合割合を、３０質量％以上、６０質量％以下とするのが好ましく、３５質量％以上、５５質量％以下とするのがより好ましく、４０質量％以上、５０質量％以下とするのが特に好ましい。

なお、蛍光体粒３５に含まれる(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁の割合を高めるほど、蛍光２２のピーク波長は長波長側にシフトする。蛍光体粒３５に、上述した割合で(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁を混合させた場合、蛍光２２のピーク波長は、好ましくは５４０ｎｍ以上、５５５ｎｍ以下であり、より好ましくは５４２ｎｍ以上、５５３ｎｍ以下であり、特に好ましくは、５４５ｎｍ以上、５５２ｎｍ以下である。この場合、蛍光２２の半値幅は１０５ｎｍ以上、１１５ｎｍ以下程度である。上記のような混合割合で(Ｌａ，Ｙ)₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁を混合させたときの光利用効率（励起光２１の光強度に対する蛍光２２の光強度の比率）は、３４％を超える値を示す。

〈２〉 本発明の波長変換部材３０を含む蛍光発光素子１０は、例えばプロジェクタに利用できる。図１０は、プロジェクタの構成の一例を模式的に示す図面である。プロジェクタ５０は、励起光源２と、蛍光発光素子１０と、ダイクロイックミラー３と、色分解合成光学系５３と、投影光学系５５とを備える。なお、図１０に示す例では、ダイクロイックミラー３と蛍光発光素子１０との間に、位相差板５１が設けられている。位相差板５１は、例えば１／４波長板である。

励起光源２から出射された励起光２１は、ダイクロイックミラー３で反射された後、蛍光発光素子１０に向かう。蛍光発光素子１０は、入射された励起光２１の一部を励起光２１よりも長波長の蛍光２２に変換して出射する。また、励起光２１の一部は蛍光発光素子１０で反射される。ここで、励起光２１は、ダイクロイックミラー３と蛍光発光素子１０の間で位相差板５１を２回通過することで、偏光状態が変換される。例えば、励起光源２から出射された時点の励起光２１をＰ偏光とし、ダイクロイックミラー３を、Ｐ偏光の励起光２１を反射し、Ｓ偏光の励起光２１及び蛍光２２を透過するように設計しておくことで、蛍光発光素子１０から出射された励起光２１及び蛍光２２は、白色光２０としてダイクロイックミラー３を通過して後段の色分解合成光学系５３に導かれる。

色分解合成光学系５３は、図示しないが、光分解光学系と、液晶パネルと、光合成光学系とを含む。光分解光学系が、入射された白色光２０を、Ｒ・Ｇ・Ｂの３色の光に分離して、それぞれの色ごとに設けられた液晶パネルに導かれ、液晶パネルにおいて、画像変調される。画像変調されたＲ・Ｇ・Ｂそれぞれの光は、光合成光学系で合成されて、画像表示光２５として投影光学系５５によってスクリーン（不図示）に投影される。

なお、図１０では、励起光２１の一部と蛍光２２とを合成して白色光２０としたが、励起光２１と同等の波長を示す別の光源（青色光源）を準備し、この青色光源から出射された青色光と蛍光２２とが合成されることで、白色光２０が生成されるものとしても構わない。

１ ：蛍光光源装置
２ ：励起光源
３ ：ダイクロイックミラー
１０ ：蛍光発光素子
１０ａ ：光取り出し面
１１ ：基板
１２ ：接合層
１３ ：反射層
２０ ：白色光
２１ ：励起光
２２ ：蛍光
２５ ：画像表示光
３０ ：波長変換部材
３０ａ ：モスアイ構造
３１ ：第一ＭｇＯ粒
３２，３２ａ ：第二ＭｇＯ粒
３５，３５ａ，３５ｂ ：蛍光体粒
５０ ：プロジェクタ
５１ ：位相差板
５３ ：色分解合成光学系
５５ ：投影光学系

Claims (9)

1. 無機系の窒化物蛍光体材料からなる複数の蛍光体粒と、
   少なくとも前記蛍光体粒の周縁部分に形成され、粒径がサブミクロンオーダーである、第一ＭｇＯ粒と、
   隣接する前記蛍光体粒の周縁部分に位置するそれぞれの前記第一ＭｇＯ粒同士を連絡するように形成され、粒径が前記第一ＭｇＯ粒の２倍以上である第二ＭｇＯ粒とを含むことを特徴とする、波長変換部材。
2. 前記第一ＭｇＯ粒は粒径が０．３μｍ以下であり、
   前記第二ＭｇＯ粒は粒径が１．４μｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換部材。
3. 前記第二ＭｇＯ粒は多結晶体を構成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の波長変換部材。
4. 前記蛍光体粒が、Ｌａ及びＳｉを含む窒化物材料からなることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の波長変換部材。
5. 前記蛍光体粒は、２種類以上の異なる組成を示す窒化物材料からなることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の波長変換部材。
6. 相対密度が９７％以上であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の波長変換部材。
7. 前記蛍光体粒の粒径が４μｍ以上、３０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の波長変換部材。
8. 前記波長変換部材の全体質量に対する前記蛍光体粒の質量割合が３０質量％以下であることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の波長変換部材。
9. 励起光を発する励起光源と、
   前記励起光が入射される、請求項１～８のいずれか１項に記載の波長変換部材と、
   前記波長変換部材から出射される蛍光及び前記励起光が入射される光学系とを備えたことを特徴とする、プロジェクタ装置。
   

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