JP6917244B2 - 蛍光体ホイール、ホイールデバイスおよびプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、蛍光体ホイール、ホイールデバイスおよびプロジェクターに関する。

発光素子として、例えば青色ＬＥＤ素子に接触するように配置される、エポキシやシリコーンなどに代表される樹脂に蛍光体粒子を分散させた蛍光体プレートが知られている。そして、近年では、ＬＥＤに代えて、エネルギー効率が高く、小型化、高出力化に対応しやすい、レーザダイオード（ＬＤ）が用いられたアプリケーションが増えてきている。

レーザは局所的に高いエネルギーの光を照射するため、集中的にレーザ光が照射された樹脂は、その照射箇所が焼け焦げる。これに対し、蛍光体プレートを円板（ホイール）状として回転させることで、照射箇所を一点に留めず動的にすることで、レーザをはじめとしたエネルギーの高い励起源を用いた場合における蛍光体プレートの耐熱性と、それに起因する性能低下の課題は解決された。

さらに、特許文献１は、蛍光体ホイールに放熱板を備えることで、発熱による蛍光体の性能低下の問題を解決する技術が開示されている。また、特許文献２は、蛍光体層としてガラスマトリクスにより蛍光体を分散させ、金属ホイールと接合層を介して貼りつけ、蛍光体粒子の一部を金属ホイールと接触させることで放熱性を高めた技術が開示されている。

特開２０１２−００８１７７号公報 特開２０１５−０９４７７７号公報

特許文献１は、放熱性を高めることで蛍光体ホイールの性能を高めたが、依然として樹脂を利用した技術を開示している。この技術では、回転系の停止などの異常や更なるハイパワー化により樹脂の耐熱温度以上に達し、蛍光体膜が焦げて破損するリスクは避けられない。また、特許文献２記載の技術は、接合層としてのみだが樹脂を用いており、これも同様に膜界面から破損するリスクが依然として残っている。よって、放熱性を高める手段と同時に、蛍光体ホイール自体の耐熱性の向上も求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ハイパワーの用途において高い発光強度を有し、温度消光による性能低下が発生しにくく、過剰な熱による破損リスクを低減できる蛍光体ホイール、ホイールデバイスおよびプロジェクターを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の蛍光体ホイールは、円板状に形成された基板と、前記基板上に設けられた蛍光体層と、を備える特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換する蛍光体ホイールであって、前記蛍光体層は、透光性の無機材料と平均粒径１５μｍ以上６０μｍ以下の蛍光体粒子とで形成されると共に、８０μｍ以上３００μｍ未満の厚みを有し、前記蛍光体粒子の材料は、ＹＡＧ：ＣｅまたはＬｕＡＧ：Ｃｅのいずれか一方であり、前記蛍光体粒子のＣｅ濃度は、０．６０ａｔ％以下であることを特徴としている。

これにより、大粒径の蛍光体を用いて蛍光体層の膜厚を厚くすることができ、発光強度を高くできる。さらに、賦活剤であるＣｅの濃度を下げることで、高出力のレーザダイオードを励起源として用いても、温度消光を抑制することができ、また、励起光の吸収率を小さい範囲に制御できる。その結果、大粒径の蛍光体を用いて蛍光体層の膜厚を厚くすることと相俟って、蛍光体層の深い部分まで活用した蛍光変換が起こることとなり、発光強度はさらに向上する。また、蛍光体層を無機材料のみで構成することで、例えば、回転系の異常によるホイールの停止や、更なるハイパワー化、等による過剰な熱による破損リスクを低減できる。

（２）また、本発明の蛍光体ホイールにおいて、前記蛍光体粒子のＣｅ濃度は、０．１２ａｔ％以上であることを特徴としている。このように、Ｃｅ濃度が小さすぎないので、励起光の吸収率を十分に維持できる。その結果、励起光を十分に活用でき、発光強度はさらに向上する。

（３）また、本発明の蛍光体ホイールにおいて、前記蛍光体層は、１００μｍ以上２００μｍ以下の厚みを有することを特徴としている。これにより、発光強度を高く維持しつつ、蛍光体層の破損リスクを低減できる。

（４）また、本発明の蛍光体ホイールにおいて、前記基板は、アルミニウムで形成されていることを特徴としている。このように、熱伝導率の高いアルミニウムを用いた蛍光体ホイールを構成することで、蛍光体層で発生した熱を基板に効率的に放熱することができる。その結果、過剰な熱による破損リスクをさらに低減できる。

（５）また、本発明のホイールデバイスは、プロジェクターに用いられるホイールデバイスであって、上記（１）から（４）のいずれかに記載の蛍光体ホイールと、前記蛍光体ホイールを回転させるモーターと、を備えることを特徴としている。これにより、発光強度の高い、過剰な熱による破損リスクを低減したホイールデバイスを構成でき、回転系の停止などの異常に対しても破損リスクを低減できる。

（６）また、本発明のプロジェクターは、励起光を照射する光源と、前記光源からの励起光を受ける上記（５）記載のホイールデバイスと、画像を表示する表示デバイスと、前記ホイールデバイスから射出された光を用いて前記表示デバイスに表示された画像を外部に投射する投射光学系と、を備えることを特徴としている。これにより、発光強度の高い、過剰な熱による破損リスクを低減したホイールデバイスを用いたプロジェクターを構成でき、回転系の停止などの異常に対しても破損リスクを低減できる。また、光源装置を低速回転で用いた静音設計のプロジェクターとすることもできる。

本発明によれば、ハイパワーの用途において高い発光強度を有し、温度消光による性能低下が発生しにくく、過剰な熱による破損リスクを低減できる蛍光体ホイールを構成できる。

（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明の蛍光体ホイールを模式的に表した断面図、斜視図および平面図である。 蛍光体ホイールの蛍光体層部分の断面を拡大した模式図である。 本発明のホイールデバイスを表す模式図である。 本発明のプロジェクターの一部を表す概念図である。 本発明の蛍光体ホイールの製造方法を示すフローチャートである。 蛍光体ホイールに対する発光強度試験のための反射型の評価システムを示す断面図である。 試料の各種条件と、２４Ｗ時の発光強度および１時間評価後の剥離の有無の結果を表す表である。 試料１１、Ａ、Ｂについて、レーザパワー密度（レーザ入力）を横軸に取ったときの発光強度を表すグラフである。 蛍光体ホイールの低回転時の発光強度試験および測定後の蛍光体層の焦げの有無の結果を示す表である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、必ずしも実際の寸法比率を表すものではない。

［蛍光体ホイールの構成］
図１（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、蛍光体ホイール１０を模式的に表した断面図、斜視図および平面図である。蛍光体ホイール１０は、基板１２上に蛍光体層１４が形成されている。蛍光体ホイール１０は、光源から照射された励起光を吸収し励起して波長の異なる変換光を発生させ、放射光を射出する。例えば、青色の励起光を吸収し蛍光体層１４で変換された青色の励起光と異なる変換光を放射させるとともに、青色の励起光を反射させて、変換光と励起光を合わせて、または、変換光のみを利用し、様々な色の光に変換できる。

基板１２は、円板状に形成される。基板１２の材料は、アルミニウム、鉄、銅等を用いることができる。基板１２のすべてを、光を反射する材料で製造することもできるが、光の反射を考慮しない材料の一面に銀などの光を反射する材料をメッキなどで設けてもよい。また、高エネルギーの光が照射されて温度が高くなるので、熱伝導性が高い方がよい。そのため、基板１２は、アルミニウムで形成されていることが好ましい。

図２は、蛍光体ホイール１０の蛍光体層１４部分の断面を拡大した模式図である。蛍光体層１４は、基板１２上に膜として設けられ、蛍光体粒子１６および結合材２０（透光性の無機材料）により形成されている。結合材２０は、蛍光体粒子１６同士および蛍光体粒子１６と基板１２とを固定している。これにより、高エネルギー密度の光の照射に対して、放熱板として機能する基板１２と接合しているため効率よく放熱でき、蛍光体の温度消光を抑制できる。また、上記それぞれの固定は、化学結合であることが効率よく放熱するためには好ましい。

蛍光体層１４は、基板１２の中心から所定の距離に一定の幅を有する円環状に形成されることが好ましい。蛍光体層１４が円環状に形成されることで、励起光の照射部分およびその近傍のみに蛍光体層１４が形成されることとなり、蛍光体ホイールの軽量化およびコストの削減ができる。

蛍光体層１４の厚みは、８０μｍ以上３００μｍ未満である。また、１００μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。蛍光体層１４の膜厚は、厚くなると膜内の比較的広い領域で蛍光変換が起こるようになり、高い発光強度を有するからである。蛍光体層１４の膜厚は、厚すぎると蓄熱による問題が増加するが、回転ホイール構造による高い放熱性および低Ｃｅ濃度蛍光体（後述）の使用による発熱量低下により解決される。また、蛍光体層１４の膜厚は、厚すぎると蛍光体粒子１６の脱粒や蛍光体層１４の剥離のリスクが増加するが、３００μｍ未満であれば問題ない。

蛍光体粒子１６は、発光中心としてセリウム（Ｃｅ）が添加されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＹＡＧ：Ｃｅ）またはルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＬｕＡＧ：Ｃｅ）のいずれか一方で構成される。このとき、発光中心のＣｅ濃度を以下のように定義する。すなわち、ＹＡＧの組成式はＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２であるが、このうちのイットリウム（Ｙ）の一部をＣｅで置き換えたＹＡＧをＹＡＧ：Ｃｅと表し、その組成式を一般的に（Ｙ_３−ＸＣｅ_Ｘ）Ａｌ_５Ｏ_１２と表す。そして、組成式全体の原子の数に対するＣｅの割合を単位「ａｔ％」で表す。例えば、Ｘ＝０．１のとき、０．１／（３＋５＋１２）×１００＝０．５となるので、これを０．５ａｔ％と定義する。

ＬｕＡＧはＹＡＧのすべてのＹをルテチウム（Ｌｕ）で置き換えたものであり、組成式はＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２である。そのため、ＬｕＡＧ：ＣｅのＣｅ濃度も上記と同様に定義し、単位「ａｔ％」で表す。

蛍光体粒子１６のＣｅ濃度は、０．６０ａｔ％以下である。このように、Ｃｅ濃度が小さい蛍光体を用いることで、個々の蛍光体粒子１６の励起光の吸収率が低下し、蛍光体層１４の深い部分まで活用した蛍光変換が起こり、全体としての発光強度は向上する。また、Ｃｅ濃度が小さい蛍光体を用いることで、蛍光体で生じる熱の発生ポイントを分散させ、蛍光変換時に生じる熱の密度を減らし放熱性を高めることが可能となり、蛍光体層１４全体の温度上昇を防ぐことができる。その結果、高いエネルギーを有するレーザ等による励起においても、蛍光体の発光性能が低下する温度まで到達しにくくなり、ハイパワーでも高い発光強度を維持できる。

また、蛍光体粒子１６のＣｅ濃度は、０．１２ａｔ％以上であることが好ましい。Ｃｅ濃度が小さすぎると、励起光の吸収率が低下しすぎた結果、全体としての発光強度が低下することがあるからである。

蛍光体粒子のＣｅ濃度は、ＩＣＰまたはＸＲＦで分析することができる。いずれの方法においても、Ｃｅ濃度が既知の蛍光体を検量線として使用することで行なう。Ｃｅ濃度は、複数回の分析値の平均値として求めてもよい。

蛍光体粒子１６は、光源光（励起光）を吸収して、変換光を放射する。ＹＡＧ：Ｃｅは、光源光（励起光）を吸収して、黄色の変換光を放射する。ＬｕＡＧ：Ｃｅは、光源光（励起光）を吸収して、緑色の変換光を放射する。例えば、光源光が青色または紫色であるときは、光源光と変換光を合わせて、白色の放射光を放射することができる。

蛍光体粒子１６の平均粒径は、１５μｍ以上６０μｍ以下であり、１８μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。１５μｍ以上なので、変換光の発光強度が大きくなり、ひいては蛍光体ホイール１０の発光強度が大きくなるからである。また、６０μｍ以下なので、蛍光体ホイール１０を回転させた際の蛍光体粒子１６の脱粒を抑制できる。また、個々の蛍光体粒子１６の温度を低く維持でき、温度消光を抑制できる。なお、本明細書において平均粒径とは、メジアン径（Ｄ５０）であるか、または、ＳＥＭ画像の解析で得られた粒子における平均粒径である。メジアン径（Ｄ５０）である平均粒径は、レーザ回折／散乱式粒子径分布測定装置の乾式測定または湿式測定を用いて計測することができる。また、ＳＥＭ画像の解析による平均粒径は、以下の手法で計測できる。蛍光体層１４の平面方向と垂直な断面について、例えば、１０００倍にてＳＥＭ画像を取得する。そして、得られたＳＥＭ画像に対して、２値化などの画像解析を行ない、画像から蛍光体粒子１６と認められる１００個以上の粒子の断面積を算出し、その累積分布から平均粒径を求めることができる。画像から蛍光体粒子と認められる１００個以上の粒子の断面積を算出するときには、蛍光体層１４に含まれる蛍光体粒子１６について全体的な平均粒径となるように、蛍光体層１４における複数個所の断面画像（例えば３枚以上）を取得することとする。

結合材２０は、無機バインダが加水分解または酸化されて形成されたものであり、透光性を有する無機材料により構成されている。結合材２０は、例えばシリカ（ＳｉＯ_２）、リン酸アルミニウムで構成される。結合材２０は無機材料からなるので、レーザダイオード等の高エネルギーの光が照射されても変質しない。また、結合材２０は透光性を有するので、励起光や変換光を透過させることができる。無機バインダとしては、エチルシリケート、リン酸アルミニウム水溶液等を用いることができる。

なお、透光性を有する物質とは、０．５ｍｍの対象物質に対して、可視光の波長領域（λ＝３８０〜７８０ｎｍ）で光を垂直に入射したとき、反対側から抜けた光の放射束が入射光の８０％を超える特性を有する物質をいう。

蛍光体ホイール１０は、大粒径の蛍光体を用いて蛍光体層の膜厚を厚くしていること、低Ｃｅ濃度の蛍光体を使用していること、および無機材料のみで構成されていることにより、ハイパワーの用途に適している。ハイパワーの用途に用いたときに、発光強度を高くできるとともに、過剰な熱による破損リスクを低減できる。

［ホイールデバイスの構成］
図３は、ホイールデバイス５０を表す模式図である。ホイールデバイス５０は、蛍光体ホイール１０およびモーター６０を備える。蛍光体ホイール１０は、上記の蛍光体ホイール１０である。

モーター６０は、蛍光体ホイール１０を回転させ、蛍光体ホイール１０の蛍光体層１４の励起光が照射される位置を変動させる。これにより、蛍光体層１４の一部に励起光が照射され続けることがないため、蛍光体層１４の発熱を抑制できる。また、回転をしている間は、蛍光体層１４および放熱板として機能する基板１２に空気があたり続けるため、これによっても蛍光体層１４の発熱を抑制できる。

［プロジェクターの構成］
図４は、プロジェクター１００の一部を表す概念図である。プロジェクター１００は、光源１１０、ホイールデバイス５０、表示デバイス１２０および投射光学系１３０を備える。

光源１１０は、ホイールデバイス５０に用いられる蛍光体を励起する励起光を照射する。ホイールデバイス５０に用いられる蛍光体は、ＹＡＧ：ＣｅまたはＬｕＡＧ：Ｃｅであるため、光源１１０が照射する励起光は、青色光または紫色光が好ましい。また、ホイールデバイス５０に用いられる蛍光体ホイール１０はハイパワーの用途に適しているため、光源１１０は、レーザダイオードであることが好ましい。

ホイールデバイス５０は、上記のホイールデバイス５０である。ホイールデバイス５０は、光源１１０からの励起光を受け、励起光を吸収し励起して波長の異なる変換光を発生させ、変換光のみまたは変換光と励起光からなる放射光を射出する。

表示デバイス１２０は、プロジェクター１００が投影する画像を表示する。表示デバイス１２０は、液晶パネル、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）などを用いることができる。

投射光学系１３０は、ホイールデバイス５０から射出された放射光を用いて表示デバイス１２０に表示された画像を外部に投射する。投射光学系１３０は、複数のレンズ１３１からなり、ズームやピントの調整をする。

プロジェクター１００は、上記の構成のほか、レンズ１３１、ダイクロイックミラー１３２などにより構成される。また、プロジェクター１００の設計に応じて、図に記載していない、ミラー、ダイクロイックミラー、レンズ、プリズムなどを使用することもできる。プロジェクター１００は、発光強度の高い、過剰な熱による破損リスクを低減したホイールデバイス５０を用いて構成されるので、回転系の停止などの異常に対しても破損リスクを低減できる。また、ホイールデバイス５０を低速回転で用いた静音設計のプロジェクターとすることもできる。

［蛍光体ホイールの製造方法］
蛍光体ホイールの製造方法の一例を説明する。図５は、本発明の蛍光体ホイールの製造方法を示すフローチャートである。最初に、円板状に形成された基板を準備する（ステップＳ１）。これとは別に、印刷用ペーストを作製する。まず、所定のＣｅ濃度および平均粒径を有する蛍光体粒子を準備する（ステップＳ２）。蛍光体粒子は、ＹＡＧ：ＣｅまたはＬｕＡＧ：Ｃｅのいずれか一方である。

次に、準備した蛍光体粒子を秤量し、溶剤に分散させ、無機バインダと混合し、印刷用ペーストを作製する（ステップＳ３）。混合にはボールミル等を用いることができる。溶剤は、α−テルピネオール、ブタノール、イソホロン、グリセリン等の高沸点溶剤を用いることができる。

また、無機バインダは、エチルシリケート等の有機シリケートであることが好ましい。有機シリケートを用いることで蛍光体粒子が印刷用ペースト全体に分散し、適切な粘度の印刷用ペーストを作製することができる。例えば、無機バインダとしてエチルシリケートを用いるときは、水および触媒の質量に対して、エチルシリケートを７０ｗｔ％以上１００ｗｔ％以下、好ましくは８０ｗｔ％以上９０ｗｔ％以下の質量とする。その他、無機バインダは、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、およびアモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含む原料を、常温で反応させるか、または、５００℃以下の温度で熱処理することにより得られたものであってもよい。酸化ケイ素前駆体としては、例えば、ペルヒドロポリシラザン、エチルシリケート、メチルシリケートを主成分としたものが挙げられる。

印刷用ペーストの作製後、基板上に印刷用ペーストを塗布してペースト層を形成する（ステップＳ４）。印刷用ペーストの塗布は、スクリーン印刷法、スプレー法、ディスペンサーによる描画法、インクジェット法を用いることができる。スクリーン印刷法を用いると、厚みの薄いペースト層を安定的に形成できるので好ましい。ペースト層は、円環状に形成することが好ましい。また、ペースト層の厚みは、焼成後に８０μｍ以上３００μｍ未満になるように調整することが好ましい。

そして、ペースト層を形成した基板を大気炉を用いて焼成し、蛍光体層を作製する（ステップＳ５）。焼成温度は、１５０℃以上５００℃以下であることが好ましく、焼成時間は、０．５時間以上２．０時間以下であることが好ましい。また、昇温速度は、５０℃／ｈ以上２００℃／ｈ以下であることが好ましい。また、焼成前に乾燥工程を設けてもよい。

このような製造工程により、蛍光体層全体に蛍光体粒子が均一に分散した蛍光体ホイールを容易に製造できる。得られた蛍光体ホイールは、ハイパワーで発光強度を高くできるとともに、過剰な熱による破損リスクを低減できる。

［実施例］
（試料の作製方法）
円板状に形成したアルミニウムに銀コートされたアルミニウム基板を準備した。これとは別に、平均粒径６μｍ〜７２μｍ、０．０４ａｔ％〜０．９０ａｔ％のＣｅ濃度を有する蛍光体粒子（ＹＡＧ：Ｃｅ粒子）を準備した。これらの蛍光体粒子を秤量し、α−テルピネオール（溶剤）を混合して分散材を作製し、エチルシリケート（無機バインダ）と混合して印刷用ペーストを作製した。

次に、スクリーン印刷法を用いて基板に印刷用ペーストを、焼成後に２０〜３００μｍの厚みになるよう塗布した。塗布後に１００℃で２０分乾燥させた後、無機バインダで封孔処理をした。最後に大気炉を用いて１５０℃／ｈで３５０℃まで昇温し、３０分焼成して試料が完成した。

上記試料のＣｅ濃度は、ＩＣＰを用いて、Ｃｅ濃度が既知の蛍光体を検量線として使用し、行なった。また、蛍光体層の膜厚（厚み）は、各試料のＳＥＭ断面写真を１０００倍の倍率で撮影し、等間隔で１０本の垂線を引き、蛍光体層のトップ面から基板のトップ面までの距離を測定し、１０本の線の平均長さから蛍光体層の膜厚を算出した。

（試料の評価方法）

完成した各試料をモーターに固定し、約１２０００ｒｐｍの回転速度で回転させた状態で、最大２４Ｗの入力となるレーザによる励起で、発光強度試験を行なった。励起光の波長は４４５ｎｍ、集光レンズにより照射径は０．１５ｍｍ^２に調整した。図６は、蛍光体ホイールに対する発光強度試験のための反射型の評価システムを示す断面図である。図６に示すように、評価システム７００は、光源７１０、平凸レンズ７２０、両凸レンズ７３０、バンドパスフィルタ７３５、パワーメータ７４０で構成されている。蛍光体ホイール１０からの放射光を集光して測定できるように各要素が配置されている。なお、図６の試料Ｓは、回転する試料の蛍光体層部分を表している。

バンドパスフィルタ７３５は、波長４８０ｎｍを閾値として光をカットするフィルタであり、反射した励起光（吸収光）を測定する際には波長の大きい側をカットするフィルタが用いられる。また、変換光の発光強度を測定する際には波長の小さい側をカットするフィルタが用いられる。このように、透過した励起光を変換光と切り分けるために、両凸レンズとパワーメータの間に設置される。

このように構成されたシステムにおいて、平凸レンズ７２０に入った励起光は、蛍光体ホイールの試料Ｓ上の焦点へ集光される。そして、試料Ｓから生じた放射光を両凸レンズ７３０で集光し、その集光された光についてバンドパスフィルタ７３５でカットした光の強度をパワーメータ７４０で測定する。この測定値を変換光の発光強度とする。レーザ光をレンズで集光し、照射面積を絞ることで、低出力のレーザでも単位面積あたりのエネルギー密度が上げられる。このエネルギー密度をレーザパワー密度とする。

図７は、試料の各種条件と、２４Ｗ時の発光強度および２４Ｗで１時間評価後の剥離の有無の結果を表す表である。２４Ｗ時の発光強度は、試料１の蛍光体ホイールの発光強度を１００としたときの相対値で表した。この値は、１００以上であることが好ましいが、大きく低下するものでなければ問題は生じない。また、２４Ｗで１時間評価後の剥離が、わずかでもあったものは、長期間の使用に耐えないので不合格と判断した。

なお、以下の記載では、蛍光体粒子の平均粒径が６μｍ以下のとき小粒径と、６μｍより大きく１４μｍ以下のとき中粒径と、１４μｍより大きいとき大粒径と記載する。また、蛍光体粒子のＣｅ濃度が０．６０ａｔ％以下のとき低Ｃｅ濃度と、０．６０ａｔ％より大きいとき高Ｃｅ濃度と記載する。また、蛍光体層の膜厚が８０μｍ以上のとき厚膜と、８０μｍ未満のとき薄膜と記載する。

試料１、２は、蛍光体層に樹脂を用いているため、回転系の停止などの異常や更なるハイパワー化により樹脂の耐熱温度以上に達し、蛍光体膜が焦げて破損するリスクがある。

試料３〜６は、小粒径または中粒径で高Ｃｅ濃度の蛍光体粒子を用いて、蛍光体層の膜厚を変化させた試料である。これによると、平均粒径が小さく、Ｃｅ濃度が高かったため、蛍光体層の膜厚に関わらず発光強度が低下した。このため、平均粒径は大きい方が、Ｃｅ濃度は低い方が好ましいことが分かる。

試料７、１１、１２、１３、９や試料１４、１５、試料１６、１７など同一の平均粒径、Ｃｅ濃度で蛍光体層の膜厚を変化させた試料を比べると、膜厚は大きい方が発光強度が大きくなる。このため、蛍光体層の膜厚は、大きい方が好ましいことが分かる。

試料７と試料１１とを比べると、試料１１は、発光強度は低下しなかったが、試料７は、蛍光体層が薄膜だったため、発光強度がわずかに低下した。このため、蛍光体層の膜厚は、８０μｍより大きいことが好ましいことが分かる。

試料９と試料１３とを比べると、試料１３は、厚膜でも剥離を生じなかったが、試料９は、蛍光体層の膜厚が大きすぎたため、わずかに蛍光体の剥離を生じた。このため、蛍光体層の膜厚は、３００μｍ未満であればよいことが分かる。

試料８と試料１９とを比べると、試料１９は、大粒径でも剥離を生じなかったが、試料８は、平均粒径が大きすぎたため、わずかに蛍光体の剥離を生じた。このため、平均粒径は、６０μｍ以下であればよいことが分かる。

試料１０と試料１８とを比べると、試料１８は、低Ｃｅ濃度で発光強度が向上したが、試料１０は、それよりＣｅ濃度が低かったため、発光強度がわずかに低下した。このため、Ｃｅ濃度は、０．１２ａｔ％以上であることが好ましいことが分かる。

図８は、試料１１（大粒径、１８μｍ）を基準に平均粒径のみを変更した、試料Ｂ（中粒径、１４μｍ）、試料Ａ（小粒径、６μｍ）を用いて作製した蛍光体ホイールについて、レーザパワー密度（レーザ入力）を横軸に取ったときの発光強度を表すグラフである。図８に示されるとおり、蛍光体ホイールに用いられる蛍光体粒子は、平均粒径が大きい方が、同じレーザパワー密度（レーザ入力）に対しての発光強度が大きくなる。このため、平均粒径は大きい方が有利である。また、いずれの試料も２４Ｗの入力までに温度消光が生じていないため、更なるハイパワー化が可能である。

図９は、蛍光体ホイールの低回転時の発光強度試験および測定後の蛍光体層の焦げの有無の結果を示す表である。上記の試料１および試料１２について、回転速度を約２０００ｒｐｍ、レーザ入力を１０Ｗとしたときの発光強度と測定後の蛍光体層の焦げの有無を測定した。その結果、試料１は、１０Ｗのレーザ入力に対し、発光強度は当初５３であったが、１分後には５０に低下した。また、測定後に蛍光体層の焦げの有無を調べたところ、リング状に焦げの発生を確認した。これは、蛍光体層に樹脂を用いているためであり、高回転時は２４Ｗのレーザ入力でも焦げは発生しなかったが、低回転時は１０Ｗのレーザ入力でも焦げが発生した。つまり、蛍光体層に樹脂を用いると、回転系の停止などの異常により樹脂の耐熱温度以上に達し、蛍光体膜が焦げて破損するリスクがあることが分かる。

これに対し、試料１２は、１０Ｗのレーザ入力に対し、発光強度は６０であり、１分後も変化しなかった。また、測定後に蛍光体層の焦げの有無を調べたところ、焦げは発生しなかった。これにより、本発明の蛍光体ホイールは、回転系の停止などの異常があった場合でも、蛍光体膜が破損するリスクが低減されることが分かった。

以上の結果によって、本発明の蛍光体ホイールは、ハイパワーの用途において高い発光強度を有し、温度消光による性能低下が発生しにくく、過剰な熱による破損リスクを低減できることが分かった。

１０ 蛍光体ホイール
１２ 基板
１４ 蛍光体層
１６ 蛍光体粒子
２０ 結合材（無機材料）
５０ ホイールデバイス
６０ モーター
１００ プロジェクター
１１０ 光源
１２０ 表示デバイス
１３０ 投射光学系
７００ 評価システム
７１０ 光源
７２０ 平凸レンズ
７３０ 両凸レンズ
７３５ バンドパスフィルタ
７４０ パワーメータ
Ｓ 試料

Claims (5)

1. 円板状に形成された基板と、
   前記基板上に設けられた蛍光体層と、を備える特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換する蛍光体ホイールであって、
   前記蛍光体層は、透光性の無機材料と平均粒径１５μｍ以上６０μｍ以下の蛍光体粒子とで形成されると共に、８０μｍ以上３００μｍ未満の厚みを有し、
   前記蛍光体粒子の材料は、ＹＡＧ：ＣｅまたはＬｕＡＧ：Ｃｅのいずれか一方であり、
   前記蛍光体粒子のＣｅ濃度は、０．１２ａｔ％以上０．６０ａｔ％以下であり、
   前記透光性の無機材料はシリカ又はリン酸アルミニウムで構成されることを特徴とする蛍光体ホイール。
2. 前記蛍光体層は、１００μｍ以上２００μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１記載の蛍光体ホイール。
3. 前記基板は、アルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光体ホイール。
4. プロジェクターに用いられるホイールデバイスであって、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載の蛍光体ホイールと、
   前記蛍光体ホイールを回転させるモーターと、を備えることを特徴とするホイールデバイス。
5. 励起光を照射する光源と、
   前記光源からの励起光を受ける請求項４記載のホイールデバイスと、
   画像を表示する表示デバイスと、
   前記ホイールデバイスから射出された光を用いて前記表示デバイスに表示された画像を外部に投射する投射光学系と、を備えることを特徴とするプロジェクター。

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