JP7429346B2 - 波長変換部材 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換部材に関する。

従来、レーザープロジェクターに用いられる波長変換部材である、円板状に形成された基板と、その基板上に設けられた蛍光体層を備える蛍光体ホイールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の蛍光体ホイールは、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。そして、その構成によって、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が低減されるとされている。

また、特許文献１においては、蛍光体が樹脂で封止されている特許文献２に記載の蛍光体ホイールや、蛍光体層と基板が樹脂からなる接合材層により接合された特許文献３に記載の蛍光体ホイールについて、樹脂を用いることによる焼損のリスクが問題点として挙げられている。

特開２０１９－３９９９２号公報 特開２０１２－８１７７号公報 特許第６２３２９５１号公報

上述のように、特許文献１に記載の蛍光体ホイールにおいては、蛍光体層の封止部材に無機材料を用いることがハイパワーの用途に用いるための条件となっており、封止部材に樹脂を用いることができない。一方で、樹脂には、コストが低い、硬度が柔らかいため、温度サイクル、熱応力に相対的に強い、蛍光体に比べて屈折率が小さいため蛍光体からの光取り出しに優れる、などの無機材料と比較した優位点がある。さらに、一般的に樹脂からなる封止部材の形成温度は１５０℃以下であり、無機材料からなる封止部材の形成温度よりも低いため、例えば、Ａｇが用いられた高反射率基板のような熱に比較的弱い基板上で用いることもできる。

本発明の目的は、優れた熱伝導性を有し、高強度の励起光を照射して高強度の蛍光を取り出すことができ、かつ封止部材の材料の選択の幅が広い波長変換部材を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］～［１２］の波長変換部材を提供する。

［１］支持体と、蛍光体粒子群と前記蛍光体粒子群を封止する封止部材とを含み、前記支持体上に直接又は他の層を介して設けられた波長変換層と、を備え、前記波長変換層の厚さ方向に平行な任意の断面に、前記蛍光体粒子群の断面の面積比率が５０％以上である所定の領域が含まれ、前記所定の領域が、前記波長変換層の厚さが５０μｍ以上の場合は前記波長変換層の底面からの厚さが５０μｍで幅が７００μｍの長方形の領域であり、前記波長変換層の厚さが５０μｍ未満の場合は厚さが前記波長変換層の厚さで幅が７００μｍの長方形の領域であり、前記所定の領域に、前記蛍光体粒子群を構成する蛍光体粒子の断面であって、最大長さが４０μｍ以上の蛍光体粒子の断面が２個以上含まれる、波長変換部材。
［２］前記蛍光体粒子群に、内部に複数の気孔を有する蛍光体粒子が含まれる、上記［１］に記載の波長変換部材。
［３］前記蛍光体粒子群を構成する蛍光体粒子が単結晶の蛍光体粒子を含む、上記［１］又は［２］に記載の波長変換部材。
［４］前記単結晶の蛍光体粒子の少なくとも一部が、組成式（Ｙ_{１－ｘ－ｙ－ｚ}Ｌｕ_ｘＧｄ_ｙＣｅ_ｚ）_３＋ａＡｌ_５－ａＯ_１２（０≦ｘ≦０．９９９４、０≦ｙ≦０．０６６９、０．０００２≦ｚ≦０．００６７、－０．０１６≦ａ≦０．３１５）で表される範囲内の組成を有する、上記［３］に記載の波長変換部材。
［５］前記蛍光体粒子群が、表面が曲面形状である蛍光体粒子を含む、上記［１］～［４］のいずれか１項に記載の波長変換部材。
［６］前記封止部材がジメチル系シリコーン樹脂からなる、上記［１］～［５］のいずれか１項に記載の波長変換部材。
［７］前記封止部材がＳｉＯ_２系化合物を主成分とする、上記［１］～［５］のいずれか１項に記載の波長変換部材。
［８］前記波長変換層において、前記蛍光体粒子群に加え、前記蛍光体粒子群を構成する蛍光体粒子よりも熱伝導率が高い添加剤が前記封止部材に封止されている、上記［１］～［７］のいずれか１項に記載の波長変換部材。
［９］前記添加剤が、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ダイヤモンド（Ｃ）、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、又はＭｇＯからなる、上記［８］に記載の波長変換部材。
［１０］前記波長変換層の上に、前記封止部材よりも屈折率の低い低屈折率層を備えた、上記［１］～［９］のいずれか１項に記載の波長変換部材。
［１１］前記低屈折率層の厚さが５μｍ以上である、上記［１０］に記載の波長変換部材。

本発明によれば、優れた熱伝導性を有し、高強度の励起光を照射して高強度の蛍光を取り出すことができ、かつ封止部材の材料の選択の幅が広い波長変換部材を提供することができる。

図１は、第１の実施の形態に係る波長変換部材の垂直断面図である。 図２は、波長変換層の一例の垂直断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図３は、波長変換層の他の一例の垂直断面のＳＥＭ画像である。 図４（ａ）、（ｂ）は、高反射率層の構成例を示す垂直断面図である。 図５は、ＹＡＧセラミックスからなる波長変換層がシリコーン樹脂により基板に固定された、従来例としての波長変換部材の垂直断面図である。 図６（ａ）は、ＹＡＧパウダーからなる蛍光体粒子とシリコーン樹脂からなる封止樹脂を有する波長変換層が基板に固定された波長変換部材の垂直断面図である。図６（ｂ）は、熱的構造をモデル化した図６（ａ）の波長変換部材の構造を示す図である。 図７（ａ）は、大径の蛍光体粒子と小径の蛍光体粒子、及びシリコーン樹脂からなる封止部材を有する波長変換層が基板に固定された波長変換部材の垂直断面図である。図７（ｂ）は、熱的構造をモデル化した図７（ａ）の波長変換部材の構造を示す図である。 図８は、第１の実施の形態に係る波長変換部材の変形例の垂直断面図である。 図９は、第１の実施の形態に係る波長変換部材の他の変形例の垂直断面図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る波長変換部材がレーザープロジェクターに用いられる蛍光体ホイールである場合の平面図及び断面図である。 図１１は、第２の実施の形態に係る波長変換部材の垂直断面図である。 図１２は、実施例１に係る波長変換部材と、比較例としての波長変換部材の波長変換特性の一例を表すグラフである。 図１３（ａ）、（ｂ）は、比較例に係る波長変換部材の厚さ方向に平行な２つの断面のＳＥＭ写真である。図１３（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１３（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層の断面から算出領域を切り出して２値化した画像である。 図１４（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る試料Ａの２つの断面のＳＥＭ写真である。図１４（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１４（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層の断面から算出領域を切り出して２値化した画像である。 図１５（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る試料Ｂの２つの断面のＳＥＭ写真である。図１５（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１５（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層の断面から算出領域を切り出して２値化した画像である。 図１６（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る試料Ｃの２つの断面のＳＥＭ写真である。図１６（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１６（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層の断面から算出領域を切り出して２値化した画像である。 図１７（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る試料Ｄの２つの断面のＳＥＭ写真である。図１７（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１７（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層の断面から算出領域を切り出して２値化した画像である。 図１８（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る試料Ｅの２つの断面のＳＥＭ写真である。図１８（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１８（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層の断面から算出領域を切り出して２値化した画像である。 図１９（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る試料Ｆの２つの断面のＳＥＭ写真である。図１９（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１９（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層の断面から算出領域を切り出して２値化した画像である。 図２０（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る試料Ｇの２つの断面のＳＥＭ写真である。図２０（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図２０（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層の断面から幅が算出領域を切り出して２値化した画像である。 図２１（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る試料Ｈの２つの断面のＳＥＭ写真である。図２１（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図２１（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層の断面から算出領域を切り出して２値化した画像である。 図２２（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る試料Ｉの２つの断面のＳＥＭ写真である。図２２（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図２２（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層の断面から算出領域を切り出して２値化した画像である。 図２３は、実施例２に係る評価光学系の構成を示す模式図である。 図２４（ａ）は、実施例２に係る試料Ａ～Ｅにおける、蛍光体粒子群の断面面積比率と取り出される蛍光の最大蛍光強度との関係を示すグラフである。図２４（ｂ）に示される曲線は、Bruggemanの式に基づいて描かれたフィラー充填率と熱伝導率との関係の一例を示すものである。 図２５は、実施例２に係る試料Ａ～Ｉにおける、蛍光体粒子群の断面面積比率と取り出される蛍光の最大強度との関係を示すグラフである。 図２６（ａ）、（ｂ）は、実施例３に係る試料Ｊの厚さ方向に平行な２つの断面のＳＥＭ写真である。図２６（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図２６（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層の断面から算出領域を切り出して２値化した画像である。 図２７（ａ）は、実施例３に係る試料Ｊの波長変換特性を表すグラフである。図２７（ｂ）は、試料Ｊ及び比較例に係る波長変換部材の温度特性を表すグラフである。 図２８は、実施例４に係る評価光学系の構成を示す模式図である。 図２９は、実施例４に係る試料Ｋの波長変換層から取り出される蛍光の広がり量を示すグラフである。

〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る波長変換部材１の垂直断面図である。波長変換部材１は、支持体である基板１０と、蛍光体粒子群１２と蛍光体粒子群１２を封止する封止部材１３とを含み、基板１０上に直接又は他の層を介して設けられた波長変換層１１と、を備える。

蛍光体粒子群１２は、励起光を吸収し、波長変換する際に発熱する。温度消光などを抑えて大きな蛍光強度を得るためには、波長変換層１１の熱伝導性を高め、蛍光体粒子群１２で生じた熱を効果的に逃がすことが求められる。

本発明者らは、鋭意研究の結果、波長変換層１１の熱伝導性を高め、大きな蛍光強度を得るためには、波長変換層１１中の蛍光体粒子群１２の体積比率を高めること（以下、条件１と呼ぶ）が効果的であることを見出した。

条件１は、蛍光体粒子群１２を構成する蛍光体の熱伝導率が封止部材１３の熱伝導率よりも高いため、波長変換層１１中の蛍光体粒子群１２の体積比率が高いほど、波長変換層１１の熱伝達率が高まることに起因する。ここで、熱伝達率は、熱の発生源から隣接する部材への熱の伝わりやすさを示すパラメータであり、その単位はＷ／（ｍ^２・Ｋ）である。

蛍光体粒子群１２を構成する蛍光体の室温での熱伝導率は、例えば、賦活剤としてＣｅが添加されているＹＡＧ系蛍光体の場合、１０～１３Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。また、封止部材１３の材料の熱伝導率は、例えば、樹脂材料で０．１～０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ガラスで～１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ＳｉＯ_２で～１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。なお、ＳｉＯ_２の熱伝導率は蛍光体の熱伝導率と同等であるが、樹脂やガラスと異なり、蛍光体粒子群の空隙を完全に充填することが難しいため、封止部材１３としての実効的な熱伝達は小さくなる。なお、本明細書に記載の熱伝導率の値は、いずれも室温（２５℃）における値である。

さらに、本発明者らは、より効果的に波長変換層１１の熱伝導性を高め、大きな蛍光強度を得るためには、条件１に加えて、従来一般的に用いられない大径の蛍光体粒子を含むこと（以下、条件２と呼ぶ）が効果的であることを見出した。

条件２は、蛍光体のサイズが大きければ、シリコーン樹脂などからなる封止部材１３よりも熱伝導率の高い蛍光体中を熱が伝わる距離が増加し、波長変換層１１の熱伝達率が高まる（熱抵抗が小さくなる）ことに起因する。

また、サイズの大きい蛍光体を用いる場合、蛍光体粒子群１２がサイズの大きい蛍光体だけで構成される場合よりも、サイズの大きい蛍光体と小さい蛍光体の両方を用いた方が、波長変換層１１中の充填率を高め易く、波長変換層１１の全体としての熱伝達率を大きくすることが容易である。このため、条件２だけを満たすよりも、条件１に加えて条件２を満たすことが好ましい。

本発明者らが、様々な条件下で繰り返し実験を行った結果、波長変換層１１の厚さ方向に平行な任意の断面に蛍光体粒子群１２の断面の面積比率が５０％以上である所定の領域（以下、算出領域と呼ぶ）が含まれるときに、条件１を満たすことがわかった。また、波長変換層１１の厚さ方向に平行な任意の断面に蛍光体粒子群１２の断面の面積比率が５７％以上である算出領域が含まれるときには、より波長変換層１１の熱伝導性を高め、大きな蛍光強度を得ることができる。

なお、波長変換層１１の厚さ方向に平行な任意の断面に蛍光体粒子群１２の断面の面積比率は、高すぎると封止部材１３で蛍光体粒子群１２を固着させることが困難になるため、その上限値は、例えば８０％に設定される。

ここで、算出領域は、波長変換層１１の厚さ（ばらつきがある場合は最小厚さ）が５０μｍ以上の場合は波長変換層１１の底面からの厚さが５０μｍで幅が７００μｍの長方形の領域であり、波長変換層１１の厚さ（ばらつきがある場合は最小厚さ）が５０μｍ未満の場合は厚さが波長変換層１１の厚さ（ばらつきがある場合は最小厚さ）で幅が７００μｍの長方形の領域である。

なお、算出領域が波長変換層１１の厚さ方向に平行な断面内の領域であるのは、蛍光体粒子群１２から発せられた熱を効率的に基板１０へ逃がすために、波長変換層１１の厚さ方向の熱伝導性が重要であるためである。また、算出領域が波長変換層１１の底面からの領域であるのは、蛍光体粒子群１２から発せられた熱を効率的に基板１０へ逃がすために、波長変換層１１の基板へ連続する領域の熱伝導性が重要であるためである。なお、波長変換層１１の上層部に蛍光体粒子群１２を含まない、あるいは極端に蛍光体粒子群１２の密度の低い領域があったとしても、それらの領域における蛍光体粒子群１２による発熱がない、または小さいため、波長変換層１１の蛍光体粒子群１２を含む領域の温度には影響をほとんど及ぼさない。

ここで、算出領域の幅を７００μｍと設定した理由は、次の通りである。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察において、粒子径５μｍ程度のものがはっきりと識別でき、かつ、ある程度の粒子数が視野に収まる倍率として、１５０倍を設定した。このとき、十分な粒子数が含まれる領域の好適な幅として７００μｍを設定した。

また、算出領域の厚さを５０μｍと設定した理由は、波長変換層１１の好適な膜厚の下限が５０μｍであること、及び、ある程度十分な数の蛍光体粒子が含まれる波長変換層１１の底部からの厚さが必要であることにある。

上述の断面の面積比率は、波長変換層１１の断面のＳＥＭ画像解析により求めることができる。例えば、ＳＥＭ観察により得られたＳＥＭ画像を２値化すると、封止部材１２の断面が黒く、蛍光体粒子群１２の断面が白くなる。白領域と黒領域の合計面積に対する白領域の面積の比の値として蛍光体粒子群１２の断面の面積比率が得られる。なお、ＳＥＭの特質上、ＳＥＭ観察においては断面における表面のみを観察しているため、ＳＥＭ観察により得られる波長変換層１１の断面全体の蛍光体粒子群１２の面積比率の平均値は、波長変換層１１中の蛍光体粒子群１２の体積比率とほぼ等しい。

また、本発明者らによる実験の結果、波長変換層１１の厚さ方向に平行な任意の断面における算出領域に、蛍光体粒子群１２を構成する蛍光体粒子の断面であって、最大長さが４０μｍ以上の１粒の蛍光体粒子の断面が２個以上含まれる場合に、条件２を満たすことがわかった。なお、ある１つの蛍光体粒子の断面の一部が算出領域の境界にかかる場合は、その蛍光体粒子は算出領域に含まれるものとする。

蛍光体粒子群１２は、好ましくは、図１、及び後述する図２に示されるように、条件２を満たすための断面の最大長さが４０μｍ以上となるような大径の蛍光体粒子１２ａと、条件１を満たし易くするための断面の最大長さが３０μｍ以下となるような小径の蛍光体粒子１２ｂを含み、主に蛍光体粒子１２ａと蛍光体粒子１２ｂによって構成される。

蛍光体粒子１２ａは、単結晶又は多結晶（セラミックス）の蛍光体粒子である。蛍光体粒子１２ａが単結晶である場合は、例えば、単結晶インゴットをボールミルなどにより粗砕し、分級することにより得られる粉砕粒子である。また、蛍光体粒子１２ａが多結晶である場合は、例えば、固相合成により得られた３０μｍ以下の多結晶粒子をＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing）と焼結、ＨＩＰ（Hot Iso-static Pressing）、ＳＰＳ（Spark Plasma Sintering）などにより焼結化（セラミックス板化）し、ボールミルなどにより粗砕し、分級することにより得られる。粗砕により得られる蛍光体粒子１２ａは、単結晶と多結晶のいずれも、破砕に伴う直線的、平面的な形状上の特徴を有し、断面の外縁が直線又は直線に近い曲線で構成される場合が多い。なお、単結晶の粒子とは、粒界を含まず、粒子全体において結晶方位が揃っているものをいう。

一般的に、単結晶蛍光体は、セラミックス蛍光体（多結晶蛍光体）よりも温度の上昇に伴う蛍光強度の低下が少ない場合が多いため、蛍光体粒子１２ａは、単結晶の蛍光体粒子であることが好ましい。例えば、ＹＡＧ系単結晶蛍光体は、ＹＡＧ系多結晶蛍光体よりも温度の上昇に伴う蛍光強度の低下が少ない。蛍光強度の低下が少ないのは、内部量子効率の低下が少ないことによる。代表的なＹＡＧ系蛍光体は、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ＹＡＧ）結晶を母結晶とし、賦活剤としてＣｅが添加されている蛍光体である。

また、蛍光体粒子１２ａの組成は特に限定されないが、蛍光体粒子１２ａはＹＡＧ系蛍光体などの温度特性に優れる（高い温度条件下でも波長変換特性を維持することができる）蛍光体の粒子であることが好ましい。蛍光体粒子１２ａの温度特性は、高強度のレーザー光を励起光として用いるレーザープロジェクターなどのデバイスに波長変換部材１を用いるために重要である。

例えば、蛍光体粒子１２ａが、組成式（Ｙ_{１－ｘ－ｙ－ｚ}Ｌｕ_ｘＧｄ_ｙＣｅ_ｚ）_３＋ａＡｌ_５－ａＯ_１２（０≦ｘ≦０．９９９４、０≦ｙ≦０．０６６９、０．０００２≦ｚ≦０．００６７、－０．０１６≦ａ≦０．３１５）で表される範囲内の組成を有する単結晶の蛍光体粒子である場合、温度が２５℃、励起光のピーク波長が４５０ｎｍであるときの内部量子効率は０.９５以上であり、温度が３００℃、励起光のピーク波長が４５０ｎｍであるときの内部量子効率は０.９０以上であるという優れた特性を有する。

このため、蛍光体粒子１２ａの少なくとも一部が、組成式（Ｙ_{１－ｘ－ｙ－ｚ}Ｌｕ_ｘＧｄ_ｙＣｅ_ｚ）_３＋ａＡｌ_５－ａＯ_１２（０≦ｘ≦０．９９９４、０≦ｙ≦０．０６６９、０．０００２≦ｚ≦０．００６７、－０．０１６≦ａ≦０．３１５）で表される範囲内の組成を有する単結晶の蛍光体粒子であることが好ましい。

蛍光体粒子１２ｂは、多結晶（セラミックス）や単結晶の蛍光体粒子であり、セラミックスの蛍光体粒子である場合には、従来の一般的なセラミックス粉末蛍光体を用いることができる。従来の一般的なセラミックス粉末蛍光体は、固相合成により形成されるため、粒子サイズを３０μｍ以上にするのが難しい。合成により得られる蛍光体粒子１２ｂの表面は、蛍光体粒子１２ａと比べて角の少ない曲面的な形状を有し、断面の形状は蛍光体粒子１２ａと比べて円形や楕円形に近い。蛍光体粒子１２ｂの表面が曲面形状を有することにより、粒子同士のひっかかりが少なくなり、波長変換層１１中の蛍光体粒子群１２の充填密度を上げることができる。また、充填密度が高いことにより、蛍光体粒子群１２からの光取り出しに有利になる。

蛍光体粒子１２ａに加えて小径の蛍光体粒子１２ｂを用いることにより、波長変換層１１における蛍光体粒子群１２の充填率を高め、すなわち体積比率を高めることができる。

上述のように、一般的に、単結晶蛍光体はセラミックス蛍光体よりも温度特性に優れるが、一方で、同等の色を得るためのＣｅの濃度がセラミックス蛍光体よりも低く、励起光の吸収率が低いという特徴を有する。このため、蛍光体粒子１２ａが単結晶の蛍光体粒子である場合、蛍光体粒子１２ｂとしてセラミックスの蛍光体粒子を用いることにより、蛍光体粒子１２ａの吸収率の低さを補うことができる。

図２は、波長変換層１１の一例の垂直断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。図２のＳＥＭ画像には、２つの蛍光体粒子１２ａと多数の蛍光体粒子１２ｂの断面が含まれている。ここで、蛍光体粒子１２ａ、１２ｂの断面の最大長さＬは、蛍光体粒子１２ａ、１２ｂの外縁上の任意の２点間の距離の最大値である。

なお、図２の領域Ａに含まれるような、複数の蛍光体粒子１２ｂが凝集して一体化したものは１粒の蛍光体粒子として数えない。すなわち、複数の蛍光体粒子１２ｂの凝集体の断面の最大長さが４０μｍであったとしても、その凝集体の断面は最大長さが４０μｍ以上の１粒の蛍光体粒子の断面には該当しない。複数の蛍光体粒子１２ｂの凝集体は、図２に示されるように、蛍光体粒子１２ｂ同士の境界近傍にくびれを有するものが多い。

図３は、波長変換層１１の他の一例の垂直断面のＳＥＭ画像である。図３に示される蛍光体粒子１２ａは、表面が鋭角的でない曲面形状を有し、かつ内部に直径５μｍ以下の複数の気孔１２０を含む。ここで、気孔の直径とは、気孔の外周上の任意の２点を結ぶ直線の長さの内、最長の長さと定義する。このように、蛍光体粒子群１２には、内部に複数の気孔１２０を含む蛍光体粒子１２ａが含まれていてもよい。蛍光体粒子１２ａの内部に気孔１２０が存在する場合、蛍光体粒子１２ａの内部に進入した光、あるいは蛍光体粒子１２ａ内部で発生した光が気孔１２０によって散乱するため、光が向きを変えて蛍光体粒子１２ａから脱出する機会が増え、波長変換層１１から取り出される光の広がりを抑制することができる。波長変換層１１から取り出される光の広がりを抑制することにより、レンズにより効率的に集光して用いることができるため、レーザープロジェクターなどのデバイスにおける光学系との結合効率が高くなる。また、表面が曲面形状であることにより、蛍光体粒子１２ａの内部で発生した蛍光の光取り出しが有利になる。また、表面が曲面形状であることにより、波長変換層１１の形成時に、粒子同士のひっかかりが抑制され、体積比率を上げやすいという利点もある。

内部に気孔１２０を含む蛍光体粒子１２ａは、単結晶粒子の焼結体からなり、単結晶インゴットを原料とする方法や、多結晶セラミックスを原料とする方法により製造することができる。以下に、蛍光体粒子１２ａがＹＡＧ系蛍光体である場合の単結晶インゴットを原料とする方法の一例について説明する。

まず、蛍光体の単結晶インゴットを平均粒径Ｄ５０＝０．６～５μｍ、典型的には１μｍ程度になるようにボールミルや遊星ミルで粉砕する。平均粒径Ｄ５０が０．６μｍを下回ると、気孔１２０が生じ難くなる。また、平均粒径Ｄ５０が５μｍを超えると、粉砕した単結晶粒子同士が焼結し難くなり、また、焼結により形成される気孔１２０のサイズが大きくなる。気孔１２０のサイズが大きくなると、蛍光体粒子１２ａの密度が低下するために波長変換層１１の熱伝導性が低下し、また、光が散乱し難くなるおそれがあるため、気孔１２０のサイズは、５μｍ以下であることが好ましい。

次に、粉砕した単結晶粒子に熱処理を施して焼結させる。この熱処理は、不活性ガス雰囲気中、例えばＡｒ雰囲気中で実施されることが好ましい。この熱処理は高温のため、水素、あるいは水素と窒素との混合ガス等の還元雰囲気の場合、酸化物蛍光体であるＹＡＧ系蛍光体は還元劣化し、内部量子効率が低下する。また、窒素雰囲気の場合、同様に、酸化物蛍光体であるＹＡＧ蛍光体は、窒化反応により、内部量子効率が低下する。また、酸素雰囲気の場合、賦活剤として機能するＣｅイオンの価数が３価から、一部４価に変化し、同じく内部量子効率が低下する。

熱処理温度はおよそ１４５０～１７５０℃であり、典型的には１６００℃である。また、熱処理時間はおよそ１～１２時間であり、典型的には５時間である。熱処理温度が１４５０℃に満たない場合や熱処理時間が１時間に満たない場合、焼結が十分に進まないおそれがある。また、熱処理温度が１７５０℃を超える場合や熱処理時間が１２時間を超える場合、焼結度が高くなりすぎて、後述する解砕に必要な物理力が大きくなり、解砕に伴うダメージによる内部量子効率の低下が懸念される。また、熱処理温度が高くなると、装置のコストやプロセスコストが高くなるという問題もある。

次に、熱処理により得られた単結晶粒子の焼結体を既知の方法により解砕（熱で弱く固着した粒子を解きほぐす）し、分級する。そして、分級により選別された断面の最大長さが４０μｍ以上となるような大径の単結晶粒子の焼結体を蛍光体粒子１２ａとして用いる。なお、解砕により蛍光体粒子１２ａの内部量子効率の低下が生じた場合は、Ａｒ雰囲気中での熱処理を施すことにより回復させることが可能である。

封止部材１３は、透明な樹脂（有機材料）や、透明な無機材料からなる。封止部材１３の材料として樹脂を用いる場合、無機材料を用いる場合と比較して、コストが低い、硬度が柔らかいため、温度サイクル、熱応力に相対的に強い、蛍光体に比べて屈折率が小さいため蛍光体からの光取り出しに優れる、などの優位点がある。さらに、一般的に樹脂からなる封止部材の形成温度は１５０℃以下であり、無機材料からなる封止部材の形成温度よりも低いため、例えば、基板１０が、Ａｇが用いられた高反射率基板のような熱に比較的弱い基板である場合も、問題なく使用することができる。一方で、封止部材１３の材料として無機材料を用いる場合、樹脂を用いる場合と比較して、耐熱性に優れるという優位点がある。

封止部材１３の材料として用いられる樹脂としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂（フェニル系シリコーン樹脂、ジメチル系シリコーン樹脂）などがある。これらの樹脂の中で、特にジメチル系シリコーン樹脂が耐熱性に優れ、封止部材１３の材料として好ましい。

封止部材１３の材料として用いられる無機材料としては、低融点ガラス、ＳｉＯ_２系化合物、Ａｌ_２Ｏ_３系化合物、ＳＯＧ（スピンオングラス）などがある。これらの無機材料の中で、ＳｉＯ_２系化合物はゾル・ゲル法などにより低温で合成することができ、また、含有成分がシンプルであるために長期信頼性に優れ、取り扱いやすいという特徴がある。このため、無機材料からなる封止部材１３は、ＳｉＯ_２系化合物を主成分とすることが好ましい。

波長変換部材１においては、上述のように、蛍光体粒子群１２の構成によって高い熱伝導性が得られるため、封止部材１３の材料として樹脂を用いる場合であって、かつプロジェクターなどの用途において高強度の励起光を照射する場合であっても、封止部材１３の熱による劣化やそれに伴う波長変換部材１の破損を抑えることができる。

また、波長変換部材１においては、上述のように、蛍光体粒子群１２の構成によって高い熱伝導性が得られるため、波長変換部材１の熱伝導性が封止部材１３の熱伝導率から受ける影響は少ない。

基板１０の材料は特に限定されないが、熱伝導率が高く、比較的安価なＡｌを用いることが好ましい。波長変換部材１を光透過型の波長変換部材として応用デバイスに用いる場合は、可視光に対する透過率が高く、熱伝導率も比較的大きなサファイアを基板１０の材料として用いることが望ましい。なお、基板１０の代わりに、板状でない支持体を用いてもよい。

また、波長変換部材１は、図１に示されるように、基板１０と波長変換層１１との間に高反射率層１４を有することが好ましい。高反射率層１４は、基板１０よりも高い反射率を有する。例えば、基板１０がＡｌからなる場合、波長が４４０ｎｍ（青色）～７３０ｎｍ（赤色）の可視光に対して、平均反射率が９０％前半程度しかないため、高反射率層１４を用いることが好ましい。

図４（ａ）、（ｂ）は、高反射率層１４の構成例を示す垂直断面図である。図４（ａ）に示される高反射率層１４（高反射率層１４ａとする）は、Ａｌよりも反射率の高いＡｇ又はＡｇ系合金からなるＡｇ系膜１４１と、Ａｇ系膜１４ａの硫化による黒色化を防ぐための保護膜１４２を有する。

Ａｇ系膜１４１の可視光に対する平均反射率は、９８～９９％程度である。保護膜１４２は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２などの可視光に対して透明な絶縁体（誘電体）からなる。異なる誘電体膜を積層した誘電多層膜を保護膜１４２として用いることにより、反射率が高まり、高反射率層１４の反射率をより高めることができる。

図４（ｂ）に示される高反射率層１４（高反射率層１４ｂとする）は、フッ化物系シリコーン樹脂（屈折率ｎ＝１．３６程度）などの屈折率の低い樹脂からなる低屈折率樹脂１４３と、低屈折率樹脂１４３に含まれる高屈折率粒子１４４を有する。高反射率層１４ｂは、Ａｇ系膜１４１を有する高反射率層１４ａと比較して、安価に製造できるという利点がある。

高反射率層１４ｂにおける光吸収を抑制するために、高屈折率粒子１４４として、可視光（例えば波長が４４０～７３０ｎｍの光）の透過率が高い粒子が用いられる。また、屈折率差のある高屈折率粒子１４４と低屈折率樹脂１４３との界面において光が散乱するため、高屈折率粒子１４４は全体の体積に対する比表面積が大きいことが好ましい。このため、高屈折率粒子１４４は粒径が１～５μｍ程度の微細な球状の粒子であることが好ましい。なお、高屈折率粒子１４４として微細な粒子を用いる場合、高反射率層１４ｂにおける高屈折率粒子１４４の体積比率を低下させないように、高屈折率粒子１４４の配合量を調節する。

高屈折率粒子１４４は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ダイヤモンド（Ｃ）、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、又はＭｇＯからなる。特に、波長変換部材１で生じた熱を基板１０へ効率的に逃がすために比較的熱伝導率が高く、かつ透過率が高く、さらに安価に入手しやすい、Ａｌ_２Ｏ_３などの材料を高屈折率粒子１４４の材料として用いることが好ましい。

低屈折率樹脂１４３の材料としては、例えば、ジメチル系シリコーン樹脂（屈折率１．４１程度）などの封止部材１３の材料と同じものを用いることができる。

また、低屈折率樹脂１４３と高屈折率粒子１４４の屈折率差が大きい方が低屈折率樹脂１４３と高屈折率粒子１４４の界面における光散乱が大きくなるため、フッ素樹脂（屈折率１．３５程度）や、フッ化物系シリコーン樹脂（屈折率１．３６程度）などの屈折率の低い材料を低屈折率樹脂１４３の材料として用いることが好ましい。フッ素樹脂やフッ化物系シリコーン樹脂を低屈折率樹脂１４３の材料として用いる場合、比較的屈折率の低いＳｉＯ_２（屈折率１．４６程度）も高屈折率粒子１４４の材料として用いることができ、高屈折率粒子１４４の材料の選択の幅が広くなる。

高反射率層１４ｂは、できるだけ光の散乱が強く生じ、かつ、熱伝達特性を良くするため、膜厚はできるだけ薄く（膜厚１０～３０μｍ）、熱伝導率が高い方が望ましい。このため、低屈折率樹脂１４３の材料と高屈折率粒子１４４の材料の最も好ましい組み合わせは、フッ素系樹脂とＡｌ_２Ｏ_３である。

図５～図７は、従来の一般的な波長変換層と波長変換層１１の熱抵抗を説明するための模式図である。

図５は、ＹＡＧセラミックスからなる波長変換層５１がシリコーン樹脂５２により基板５３に固定された、従来例としての波長変換部材５０の垂直断面図である。波長変換層５１の熱伝導率を１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚さを２００μｍとし、その熱抵抗を１（他の部材の熱抵抗の基準）と仮定する。シリコーン樹脂５２の熱伝導率を０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚さを２０μｍとすると、波長変換層５１の熱抵抗で規格化したシリコーン樹脂５２の熱抵抗（波長変換層５１の熱抵抗に対する熱抵抗の比の値）は５．０となる。したがって、波長変換層５１の熱抵抗で規格化した波長変換層５１とシリコーン樹脂５２の合成熱抵抗は６．０となる。

図６（ａ）は、ＹＡＧパウダーからなる蛍光体粒子１２ｂとシリコーン樹脂からなる封止樹脂１３を有する波長変換層１１が基板１０に固定された波長変換部材１の垂直断面図である。波長変換層１１の厚さを１００μｍ、蛍光体粒子１２ｂと封止樹脂１３の体積比を４０：６０とする。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示される波長変換層１１の熱抵抗を簡易的に評価するために、波長変換部材１の熱的構造をモデル化したものであり、熱的な直列抵抗回路とみなすことができる。

膜状にモデル化された蛍光体粒子１２ｂの厚さは４０μｍであり、波長変換層５１の熱抵抗で規格化した熱抵抗は０．２となる。また、モデル化された封止樹脂１３の厚さは６０μｍであり、波長変換層５１の熱抵抗で規格化した熱抵抗は１５．０となる。したがって、波長変換層５１の熱抵抗で規格化した蛍光体粒子１２ｂと封止樹脂１３の合成熱抵抗、すなわち波長変換層１１の熱抵抗は１５．２となる。

図７（ａ）は、蛍光体粒子１２ａと蛍光体粒子１２ｂ、及びシリコーン樹脂からなる封止部材１３を有する波長変換層１１が基板１０に固定された波長変換部材１の垂直断面図である。波長変換層１１の厚さを８０μｍ、蛍光体比率を６５％とする。図７（ｂ）は、波長変換層１１の熱抵抗を簡易的に評価するために、波長変換部材１の熱的構造をモデル化したものであり、熱的な２系統の直列抵抗回路が並列に配置した合成抵抗回路とみなすことができる。

ブロック状にモデル化された蛍光体粒子１２ａの厚さは６５μｍであり、波長変換層５１の熱抵抗で規格化した熱抵抗は０．３２５×２となる。また、ブロックにモデル化された蛍光体粒子１２ｂの厚さは４０μｍであり、波長変換層５１の熱抵抗で規格化した熱抵抗は０．２×２となる。また、モデル化された封止部材１３ａ、１３ｂの厚さはそれぞれ１５μｍ、４０μｍであり、波長変換層５１の熱抵抗で規格化した熱抵抗はそれぞれ３．７５×２、１０×２となる。したがって、波長変換層５１の熱抵抗で規格化した蛍光体粒子１２ａ、蛍光体粒子１２ｂ、封止部材１３の合成熱抵抗、すなわち波長変換層１１の熱抵抗は５．８２となる。このことから、波長変換層１１は、シリコーン樹脂５２により基板５３に固定されたＹＡＧセラミックスからなる波長変換層５１と同等の熱特性を有することがわかる。図６に示される波長変換部材１との相違点は、一つは蛍光体粒子群の密度の高さであり、もう一つは大型の蛍光体粒子１２ａによる熱のバイパス効果である。

図８は、波長変換部材１の変形例の垂直断面図である。この変形例においては、封止部材１３よりも屈折率の低い低屈折率樹脂膜１５が波長変換層１１上に設けられている。低屈折率樹脂膜１５は、例えば、フッ素樹脂やフッ化物系シリコーン樹脂などの屈折率の低い樹脂からなる。低屈折率樹脂膜１５を用いることにより、波長変換部材１からの光取出効率を向上させることができる。

波長変換部材１の光取出効率を向上させるため、低屈折率樹脂膜１５の厚さは、５μｍ以上、３０μｍ以下であることが好ましい。低屈折率樹脂膜１５の厚さは、平均して５μｍ以上であればよく、表面の部分的な凹凸により局所的に薄い箇所があっても光取出効率は低下しない。３０μｍよりも厚い場合でも、熱的な影響はほとんどないが、光広がりが大きくなるため、光学系との結合効率が低くなる。なお、低屈折率樹脂膜１５は蛍光体を含まない。

図９は、波長変換部材１の他の変形例の垂直断面図である。この変形例に係る波長変換層１１においては、蛍光体粒子群１２に加え、粒子状の添加剤１６が封止部材１３に封止されている。

添加剤１６は、蛍光体粒子群１２を構成する蛍光体粒子１２ａ、１２ｂよりも熱伝導率が高い。そのため、添加剤１６を用いることにより、波長変換層１１の熱伝導性を向上させることができる。

添加剤１６は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ダイヤモンド（Ｃ）、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、又はＭｇＯからなる。ここで、Ａｌ_２Ｏ_３の熱伝導率はおよそ４１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ＳｉＣの熱伝導率はおよそ２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ダイヤモンドの熱伝導率はおよそ１０００～２０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ＡｌＮの熱伝導率はおよそ７０～２７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ＢＮの熱伝導率はおよそ６０～２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、Ｓｉ_３Ｎ_４の熱伝導率はおよそ３０～８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ＭｇＯの熱伝導率はおよそ４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。一方、蛍光体粒子群１２の代表例であるＹＡＧ蛍光体の熱伝導率はおよそ１０～１３Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

ただし、添加剤１６の添加量が多すぎると相対的に波長変換層１１中の蛍光体粒子群１２の密度が低下するため、添加剤１６の体積は蛍光体粒子群１２の体積の２０％以下であることが好ましい。

また、添加剤１６は、添加剤１６による光の吸収を抑えるため、蛍光体粒子群１２を構成する蛍光体粒子１２ａ、１２ｂよりも可視光、特に４４０～７３０ｎｍの波長を有する光の透過率が高いことが好ましい。また、励起光、あるいは蛍光の光散乱性を高めるため、添加剤１６の屈折率が、蛍光体粒子群１２を構成する蛍光体粒子１２ａ、１２ｂの屈折率よりも高いことが好ましい。

図１０（ａ）、（ｂ）は、波長変換部材１がレーザープロジェクターに用いられる蛍光体ホイールと呼ばれる円板状の部材である場合の平面図及び断面図である。波長変換部材１においては、基板１０が円板状であり、その外周に沿って環状の高反射率層１４と波長変換層１１が設けられている。環状の波長変換層１１の幅は、例えば３～７ｍｍであり、厚さは５０～２５０μｍである。

基板１０には、波長変換部材１を回転させるモーターの軸を通すための孔１０ａが設けられ、波長変換部材１は、モーターによってその円周方向に回転できるようにレーザープロジェクター内に設置される。

レーザープロジェクターの動作時には、波長変換部材１が、例えば毎分７２００回転することにより、レーザーダイオードなどの励起光源から発せられる光の照射位置５０を連続的に変化させることができ、波長変換層１１の温度上昇を抑えることができるため、レーザーパワーが大きい条件下で、蛍光体強度を高く維持することが可能になる。また、蛍光体ホイールの直径を大きくすることで、レーザーが照射される蛍光体が受けるレーザーの平均強度が低減され、蛍光体の温度上昇を抑制することができる。

また、図１、図４、図８、図９に示される波長変換部材１は、蛍光を励起光源側に取り出す反射型の波長変換部材であるが、波長変換部材１は、蛍光を励起光源の反対側から取り出す透過型の波長変換部材であってもよい。この場合、基板１０にはサファイア基板のような透明基板が用いられ、高反射率層１４のような光を反射する層は用いられない。

〔第２の実施の形態〕
本発明の第２の実施の形態に係る波長変換部材は、波長変換層の構成において、第１の実施の形態に係る波長変換部材と異なる。なお、波長変換部材以外の部材の構成など、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。

図１１は、第２の実施の形態に係る波長変換部材２の垂直断面図である。波長変換部材２は、基板１０と、蛍光体粒子１２ｂとそれを封止する封止部材１３を含む下層２１ｂと、蛍光体粒子１２ａとそれを封止する封止部材１３を含む下層２１ｂ上の上層２１ａとを含む、基板１０の上方に設けられた波長変換層２１と、を備える。

また、波長変換部材２は、波長変換部材１と同様に、基板１０と波長変換層２１との間に高反射率層１４を有することが好ましい。

波長変換部材２の波長変換層２１においては、大径の蛍光体粒子１２ａを含む層と小径の蛍光体粒子１２ｂを含む層が分けられているため、色度の異なる複数の蛍光体を使用する場合や、波長変換効率の温度特性の異なる複数の蛍光体を使用する場合に好適である。特に、温度特性の異なる複数の蛍光体を用いる場合、励起光強度が強く、温度が上昇しやすい上層側に温度特性のよい蛍光体を、弱い下層側に温度特性の悪い蛍光体を配置することにより、２種類を混合して１層化して使用する場合に比べて、高い波長変換効率を実現することができる。また、一般的に、赤色系蛍光体は、緑色や黄色系蛍光体に比べて、波長変換効率の温度特性が悪いため、赤色系（相対的にＣＩＥ色度ｘの大きい）蛍光体を下層側へ、緑色系や黄色系（相対的にＣＩＥ色度ｘの小さい）蛍光体を上層側へ配置するのが好適である。緑色蛍光体と黄色径蛍光体の２種類を用いる場合も、同様（相対的にＣＩＥ色度ｘの大きい蛍光体を下層側、小さい蛍光体を上層側に配置する）である。

（実施の形態の効果）
上記第１、２の実施の形態によれば、上述の条件１、好ましくは条件１と条件２を満たす波長変換層１１を用いることにより、優れた熱伝導性を有し、高強度の励起光を照射して高強度の蛍光を取り出すことができる波長変換部材１、２を提供することができる。また、波長変換部材１、２の優れた熱伝導性は、蛍光体粒子群１２の構成に係る条件１や条件２から得られるものであり、封止部材１３の熱伝導性から受ける影響は小さいため、種々の材料からなる封止部材１３を用いることができる。すなわち、封止部材１３の材料の選択の幅が広い。

また、波長変換部材１、２は、優れた熱伝導性を有するため、高強度のレーザー光を励起光として用いるレーザープロジェクターなどのデバイスに好適に用いることができる。

市場に流通しているレーザープロジェクターにおいては、光利用効率の高さが成果価値に直結しており、その光利用効率を１％単位で向上する各種技術の積み上げがなされている。ここで、レーザープロジェクターの光利用効率は、波長変換効率（吸収×内部量子効率×粒子からの光取り出し効率）、波長変換層からの光取出効率、及び集光光学系との結合効率に比例する。

このため、例えば、レーザープロジェクターに用いる際に光利用効率をより高める場合は、図８に示されるように低屈折率樹脂膜１５を用いて波長変換層１１からの光取出効率を向上させ、また、図３に示されるような内部に複数の気孔１２０を含む蛍光体粒子が含まれる蛍光体粒子群１２を用いて、取り出される光の広がりを抑えて、レンズや光ファイバー等の集光光学系との結合効率を高めることが好ましい。

なお、上記第１、２の実施の形態においては、主にＹＡＧ系蛍光体やＬｕＡＧ系蛍光体を蛍光体粒子群１２を構成する蛍光体の例として用いて説明したが、これら以外のガーネット系蛍光体や、その他の蛍光体、例えば、ＳｉＡｌＯＮ等のサイアロン系蛍光体や、ＣａＡｌＳｉＮ_３等のカズン系蛍光体など、その他の蛍光体を蛍光体粒子群１２を構成する蛍光体として用いた場合であっても、同様の効果が得られる。

図１２は、上記第１の実施の形態に係る波長変換部材１（後述する試料Ｈ）と、蛍光体粒子群１２の断面面積比率が５０％未満である比較例としての波長変換部材の波長変換特性の一例を表すグラフである。ここで、波長変換部材１と比較例に係る波長変換部材は、同一のホイール径を有する蛍光体ホイールであり、後述する図２３に示されるレーザープロジェクター用の評価光学系３０を用いて測定を実施した。図１２のグラフの横軸は、励起光強度であり、比較例に係る波長変換部材の蛍光強度が飽和したときの励起光強度で規格化した（そのときの励起光強度を１にした）ものである。縦軸は、蛍光強度であり、比較例に係る波長変換部材の蛍光強度が飽和したときの蛍光強度で規格化した（そのときの蛍光強度を１にした）ものである。

ここで、評価対象の蛍光体ホイール（波長変換部材１及び比較例に係る波長変換部材）の直径は、およそ３０ｍｍであり、励起光のスポットサイズ（半値幅）は、０．８６ｍｍである。また、蛍光体ホイールの回転数は、毎分７２００回転である。また、波長変換部材１及び比較例に係る波長変換部材の波長変換層１１の厚さは、およそ１００μｍである。

後述するように、試料Ｈである波長変換部材１は、２つの厚さ方向に平行な断面において蛍光体粒子群１２の断面面積比率を測定したところ、それぞれ５４．３％、５４．５％であった。また、それら２つの厚さ方向に平行な断面に含まれる最大長さが４０μｍ以上である蛍光体粒子の断面の数は、それぞれ６個、８個であった。

図１３（ａ）、（ｂ）は、比較例に係る波長変換部材の厚さ方向に平行な２つの断面のＳＥＭ写真である。比較例に係る波長変換部材の２つの断面には、最大長さが４０μｍ以上である蛍光体粒子の断面が含まれない。図１３（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１３（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層１１の断面から算出領域（波長変換層１１の底面からの厚さが５０μｍで幅が７００μｍの長方形の領域）を切り出して２値化した画像である。図１３（ｃ）、（ｄ）の２値化された画像から、それぞれ蛍光体粒子群１２の断面面積比率が４６．２％、４６．７％と求められた。

図１２の波長変換特性は、蛍光体粒子群１２が組成式（Ｙ_１－ｚＣｅ_ｚ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２で表される組成を有する蛍光体粒子から構成される波長変換部材１にレーザーダイオードから発せられるレーザー光を励起光として照射することにより得られたものである。

なお、蛍光体粒子群１２が組成式（Ｌｕ_１－ｚＣｅ_ｚ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２で表される組成を有する蛍光体粒子から構成される場合、（Ｙ_{１－ｙ－ｚ}Ｇｄ_ｙＣｅ_ｚ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２で表される組成を有する蛍光体粒子から構成される場合、組成式（Ｙ_{１－ｘ－ｚ}Ｌｕ_ｘＣｅ_ｚ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２で表される組成を有する蛍光体粒子から構成される場合、あるいは組成式（Ｙ_１－ｚＣｅ_ｚ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２で表される組成を有する蛍光体粒子、組成式（Ｌｕ_１－ｚＣｅ_ｚ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２で表される組成を有する蛍光体粒子、（Ｙ_{１－ｙ－ｚ}Ｇｄ_ｙＣｅ_ｚ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２で表わされる組成を有する蛍光体粒子、組成式（Ｙ_{１－ｘ－ｚ}Ｌｕ_ｘＣｅ_ｚ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２で表される組成を有する蛍光体粒子のうちの２種以上を含む蛍光体粒子から構成される場合にも、図１２の波長変換特性と同様の波長変換特性が得られる。

次の表１に、図１２のプロット点の数値、及びそれぞれの規格化前の数値を示す。表１の“実施例”は波長変換部材１の一例を意味し、“比較例”は比較例に係る波長変換部材（図６に示される波長変換部材１の同等品）の一例を意味する。

図１２によれば、波長変換部材１に用いることができる励起光の最大強度は、比較例に係る波長変換部材に用いることができる励起光の最大強度のおよそ１．７倍以上である。これは波長変換部材１が、比較例に係る波長変換部材よりも波長変換層の熱伝達率が高く、波長変換層の温度上昇を抑制できるためである。このため、例えば、波長変換部材１が図１０（ａ）、（ｂ）に示されるような蛍光体ホイールである場合、比較例に係る波長変換部材からなる蛍光体ホイールと比較して、ホイール径を一定として、波長変換効率を落とさずに、励起光であるレーザー光の強度を１．７倍以上にすることができる。なお、使用したレーザー励起光源では、波長変換部材１の蛍光強度が飽和するまで測定することができなかった。

また、レーザー光の強度を一定とした場合は、比較例に係る波長変換部材からなる蛍光体ホイールと比較して、ホイール径を小型化することができる。これによって、レーザープロジェクターの筐体のサイズを低減することができ、また、それによって製品コストを低減することもできる。

また、図１２によれば、波長変換部材１の最大蛍光強度は、比較例に係る波長変換部材の最大蛍光強度のおよそ１．６倍以上である。このため、例えば、波長変換部材１が蛍光体ホイールである場合、比較例に係る波長変換部材からなる蛍光体ホイールと比較して、ホイール径を一定として、波長変換効率を落とさずに、明るさ［ｌｍ］を１．６倍以上にすることができる。なお、使用したレーザー励起光源では、波長変換部材１の蛍光強度が飽和するまで明るさを測定することができなかった。また、これによって、ホイール径を小さくしても比較例に係る波長変換部材からなる蛍光体ホイールと同等の明るさを確保することができる。

基板１０と種々の条件で形成された波長変換層１１とを備える上記第１の実施の形態に係る波長変換部材１（試料Ａ～Ｉとする）を製造し、評価を行った。ここで、試料Ａ～Ｉは蛍光体ホイールである。

試料Ａ～Ｉは、環状の基板１０と環状の波長変換層１１を有する蛍光体ホイールである。試料Ａ～Ｉの基板１０はＡｌ（アルミニウム）からなり、封止部材１３はシリコーン樹脂からなり、蛍光体粒子群１２は賦活剤として０．２５ａｔ％程度のＣｅが添加された単結晶のＹＡＧ蛍光体の粒子から構成される。また、試料Ａ～Ｉの波長変換層１１の厚さはおよそ１００μｍである。

試料Ａ～Ｉの製造プロセスは、次の通りである。まず、設計値に秤量したシリコーン樹脂に、同じく設計値に秤量した蛍光体粒子を混合し、波長変換層１１の原料を得る。次に、スクリーン印刷にて、基板１０上に、波長変換層１１の原料を印刷する。そして、シリコーン樹脂に架橋反応を生じさせるため、１００℃で１時間、さらに１５０℃で２時間の条件で、大気中でベークし、波長変換層１１を形成する。

なお、一般的な印刷技術であるスクリーン印刷では、波長変換層１１の原料中の蛍光体の体積比率が５０％より高くなると、樹脂中の固形成分が多過ぎるため、波長変換層１１の原料の粘度が上がり、印刷することが極めて困難になる。本実施の形態では、溶剤を用いて希釈し、原料の粘度を印刷時に下げることにより、蛍光体の体積比率が５０％以上の場合でも、スクリーン印刷することを可能にした。この溶剤は、１００℃以上で揮発するものを選定したため、大気中でのベーク工程により、揮発し、ベーク後の蛍光体の体積比率を上げることができる。

図１４（ａ）、（ｂ）～図１８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ試料Ａ～Ｅの厚さ方向に平行な２つの断面のＳＥＭ写真である。試料Ａ～Ｅの２つの断面には、最大長さが４０μｍ以上である蛍光体粒子の断面が含まれていない。

図１９（ａ）、（ｂ）～図２２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ試料Ｆ～Ｉの厚さ方向に平行な２つの断面のＳＥＭ写真である。試料Ｆ～Ｉの２つの断面には、最大長さが４０μｍ以上である蛍光体粒子の断面が含まれる。

図１４（ｃ）、（ｄ）～図２２（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１４（ａ）、（ｂ）～図２２（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層１１の断面から算出領域（波長変換層１１の底面からの厚さが５０μｍで幅が７００μｍの長方形の領域）を切り出して２値化した画像である。これらの２値化された画像から蛍光体粒子群１２の断面面積比率を求めた。

図２３は、試料Ａ～Ｉから取り出される蛍光の強度の評価光学系３０の構成を示す模式図である。この評価光学系３０は、波長変換部材をレーザープロジェクターに適用したときの特性を評価するための構成を有するレーザープロジェクター評価系であり、光源である青色のレーザーダイオード３１と、レーザーダイオード３１から発せられた青色の励起光を反射し、試料Ａ～Ｉの波長変換層１１から発せられる蛍光を透過するダイクロイックミラー３２と、試料Ａ～Ｉの波長変換層１１から発せられる蛍光の強度を測定する光検出器３３とを有する。

レーザーダイオード３１の発する励起光の波長は４５０ｎｍとした。レーザーダイオード３１の励起光強度は、各試料の波長変換層１１の表面における励起光強度が最大でおよそ１１０Ｗとなる範囲内で変化させた。また、励起光（レーザー）の波長変換層１１の表面におけるスポットサイズは、半値幅（ＦＷＨＭ）が０．８６ｍｍとなるサイズに設定した。

次の表２に、試料Ａ～Ｉの評価結果を示す。“蛍光体断面面積比率”の（ａ）は、図１４（ａ）～図２２（ａ）に示される断面における、算出領域内の蛍光体粒子群１２の断面の面積比率であり、（ｂ）は、図１４（ｂ）～図２２（ｂ）に示される断面における、算出領域内の蛍光体粒子群１２の断面の面積比率である。“大粒個数” の（ａ）は、図１４（ａ）～図２２（ａ）に示される断面における、算出領域に含まれる最大長さが４０μｍ以上の蛍光体粒子の断面の個数であり、（ｂ）は、図１４（ｂ）～図２２（ｂ）に示される断面における、算出領域に含まれる最大長さが４０μｍ以上の蛍光体粒子の断面の個数である。“最大蛍光強度”は、励起光の強度を変化させて得られる蛍光の最大強度である。

図２４（ａ）は、断面に蛍光体粒子１２ａが含まれない試料Ａ～Ｅにおける、蛍光体粒子群１２の断面面積比率のそれぞれの試料での小さい方の値と、取り出される蛍光の最大蛍光強度との関係を示すグラフである。

図２４（ａ）によれば、蛍光体粒子群１２の断面面積比率がおよそ３０％以下である場合には、蛍光体粒子群１２が十分に励起光を吸収することができないため、最大蛍光強度が低い。蛍光体粒子群１２の断面面積比率がおよそ３０％を超えると最大蛍光強度の増加が一旦停滞するが、これはおよそ３０％で蛍光体粒子群１２の励起光の吸収量が飽和するためと考えられる。

しかし、蛍光体粒子群１２の断面面積比率が５０％以上になると、最大蛍光強度が再び上昇する。これは、波長変換層１１の熱伝達率が大幅に上昇し始めるため、蛍光体粒子群１２の温度上昇が抑制されることによると考えられる。なお、この考察は、一般的な樹脂複合材料中のフィラー充填率と熱伝導率の関係から導くことができる。

一般に、樹脂複合材料中のフィラー充填率と熱伝導率には、次のBruggemanの式φ＝（λ_ｃ－λ_ｆ）／（λ_ｍ－λ_ｆ）×（λ_ｍ／λ_ｃ）^１／３が成り立つ。ここで、φはフィラーの体積充填率、λ_ｆはフィラーの熱伝導率、λ_ｍは樹脂の熱伝導率、λ_ｃは塗料組成物の熱伝導率を示す。

図２４（ｂ）に示される曲線は、Bruggemanの式に基づいて描かれたフィラー充填率と熱伝導率との関係の一例を示すものである。この曲線の形状が、図２４（ａ）の蛍光体粒子群１２の断面面積比率が３０％以上の領域における近似曲線（図中右側の点線）の形状に近いことは、上述の考察の内容を裏付けるものである。

図２４（ａ）は、蛍光体粒子群１２の断面面積比率が５０％以上であることが好ましいことを示している。また、蛍光体粒子群１２の断面面積比率が試料Ｅの断面面積比率と同等又はそれ以上であるとき、すなわちおよそ５７％以上であるときに、より高い最大蛍光強度が得られる。

図２５は、断面に蛍光体粒子１２ａが含まれない試料Ａ～Ｅと、断面に蛍光体粒子１２ａが含まれる試料Ｆ～Ｉにおける、蛍光体粒子群１２の断面面積比率と取り出される蛍光の最大強度との関係を示すグラフである。

図２５は、断面に蛍光体粒子１２ａが含まれる場合、断面に蛍光体粒子１２ａが含まれない場合よりも、蛍光体粒子群１２の断面面積比率に対する蛍光強度が大きくなる傾向があることを示している。

図２５中の“２個”、“３個”、“６個”、“２個”は、それぞれ試料Ｆ～Ｉの２つの断面の算出領域に含まれていた最大長さが４０μｍ以上の蛍光体粒子の断面の個数のうち、少ない方の個数を示している。図２５から、波長変換層１１の断面の算出領域に最大長さが４０μｍ以上の蛍光体粒子の断面が２個以上含まれている場合に、蛍光体粒子群１２の断面面積比率に対する蛍光強度が大きくなるということがいえる。

図２６（ａ）、（ｂ）は、本発明者が作成した試料の中でも特に高い発光特性が得られた試料（試料Ｊとする）の厚さ方向に平行な２つの断面のＳＥＭ写真である。また、図２６（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図２６（ａ）、（ｂ）に示される波長変換層１１の断面から算出領域を切り出して２値化した画像である。

試料Ｊは、試料Ａ～Ｉと同様に、環状の基板１０と環状の波長変換層１１を有する蛍光体ホイールである。また、試料Ｊの基板１０はＡｌ（アルミニウム）からなり、封止部材１３はシリコーン樹脂からなり、蛍光体粒子群１２は賦活剤として０．２５ａｔ％程度のＣｅが添加された単結晶のＹＡＧ蛍光体の粒子から構成される。また、試料Ｊの波長変換層１１の厚さはおよそ２２５μｍである。

上述の試料Ａ～Ｉの製造プロセスの説明において述べたように、波長変換層１１の原料中の蛍光体の体積比率が５０％以上である場合であっても、溶剤を用いて希釈することにより、波長変換層１１の原料のスクリーン印刷が可能になる。しかしながら、原料中の大粒径の蛍光体の個数を増やす（小粒径の蛍光体に対する比率を上げる）場合、印刷スクリーンメッシュを傷つけやすく、その耐久性を落としてしまうという問題があるため、これを解決する製造方法を見出し、試料Ｊの製造プロセスに適用した。

まず、設計値に秤量した蛍光体粒子群１２（大粒子と小粒子を含む）を混合する。次に、基板１０上にシリコーン樹脂のみをスクリーン印刷する。このときのシリコーン樹脂の厚さは、波長変換層１１の仕上げ膜厚に応じて、５～３０μｍに設定する（図２６に示される試料Ｊについてはおよそ２０μｍ）。

次に、混合した蛍光体粒子群１２を、印刷したシリコーン樹脂上に投下する（ふりかける）。蛍光体粒子群１２をシリコーン樹脂上に投下する代わりに、蛍光体粒子群１２を入れた容器に、シリコーン樹脂が印刷された基板１０を押し付けてもよい。

次に、圧力板を介して、０．１～０．５ＭＰａ、典型的には０．２ＭＰａの圧力で蛍光体粒子群１２がふりかけられたシリコーン樹脂を圧縮する。このとき、圧力板を搖動、あるいは振動を加え、蛍光体粒子同士のひっかかりを外すことにより、蛍光体粒子群１２の密度を効果的に高めることができる。なお、加える圧力が弱過ぎると蛍光体粒子群１２の密度が十分に上がらず、強過ぎると、基板１０の面方向へのシリコーン樹脂の横広がりを防止する何らかの対策を講じない場合、シリコーン樹脂が広がり過ぎ、設計の膜厚が得られない。

次に、固着しなかった蛍光体粉末をエアブローで除去する。そして、シリコーン樹脂に架橋反応を生じさせるため、１００℃で１時間、さらに１５０℃で２時間の条件で、大気中でベークし、波長変換層１１を形成する。このような製造プロセスによれば、試料Ａ～Ｉの製造プロセスの説明において述べたようなスクリーン印刷を用いるプロセスにおける問題が生じない。

次の表３に、試料Ｊの評価結果を示す。試料Ｊから取り出される蛍光の強度の測定は、試料Ａ～Ｉと同様に、上述の評価光学系３０を用いて行った。なお、試料Ｊの蛍光体ホイールの直径はおよそ４０ｍｍである。

図２７（ａ）は、波長変換部材１としての試料Ｊの波長変換特性を表すグラフである。図２７（ａ）のグラフの横軸は、試料Ｊに照射する励起光の強度［Ｗ］であり、縦軸は、試料Ｊの波長変換層１１により波長変換された蛍光の強度［Ｗ］である。また、図２７（ａ）には、比較例としての、図５に示される波長変換部材５０の波長変換特性も併せて示されている。この比較例に係る波長変換部材５０は、蛍光体セラミックス板からなる波長変換層５１が、基板５３上に、シリコーン樹脂５２によって接着された構造を有している。

図２７（ａ）によれば、比較例である波長変換部材５０は、励起光強度が１００Ｗを超えた辺りで温度消光が生じて蛍光強度が低下しているが、試料Ｊは、励起光強度が１００Ｗを超えても蛍光強度の増加が続いている。これは、蛍光体粒子群１２の体積比率が高く、大粒径の個数が多く、その大粒径粒子が単結晶蛍光体であることによる効果である。

図２７（ｂ）は、試料Ｊ及び波長変換部材５０のレーザー照射時の波長変換層の表面温度の上昇を表すグラフである。図２７（ｂ）のグラフの横軸は、励起光の強度［Ｗ］であり、縦軸は、試料Ｊの波長変換層１１及び波長変換部材５０の波長変換層５１の表面温度の上昇量ΔＴ［℃］である。ここで、表面温度の上昇量ΔＴは、励起光の照射前の表面温度を基準としている。

図２７（ｂ）によれば、試料Ｊの方が、波長変換部材５０よりも、励起光の強度に対する表面温度の上昇量ΔＴが小さく、試料Ｊの温度上昇が効果的に抑えられていることがわかる。

上述のように、試料Ｊについて、プロジェクター評価系である評価光学系３０において優れた特性を有するとの評価結果が得られており、試料Ｊがプロジェクターの波長変換部材として優れた性能を発揮することが確認された。

内部に複数の気孔１２０を含む蛍光体粒子１２ａが蛍光体粒子群１２に含まれる、図３に示される波長変換層１１を備えた波長変換部材１（試料Ｋとする）の気孔１２０の存在による効果を評価した。

試料Ｋは、試料Ａ～Ｊと同様に、環状の基板１０と環状の波長変換層１１を有する蛍光体ホイールである。また、試料Ｋの基板１０はＡｌ（アルミニウム）からなり、封止部材１３はシリコーン樹脂からなり、蛍光体粒子群１２は賦活剤として０．２５ａｔ％程度のＣｅが添加された単結晶のＹＡＧ蛍光体の粒子から構成される。内部に複数の気孔１２０を含む蛍光体粒子１２ａは、単結晶粒子の焼結体からなる。また、試料Ｋの波長変換層１１の厚さはおよそ１１０μｍであり、ＳＥＭ画像から求めた蛍光体断面面積比率は、５５％である。また、試料Ｋの波長変換層１１の形成方法には、上述の試料Ｊの波長変換層１１の形成方法と同様の方法を用いた。

図２８は、試料Ｋの測定に用いた評価光学系４０の構成を示す模式図である。この評価光学系４０は、光源である青色のレーザーダイオード４１と、試料Ｋの波長変換層１１から発せられる蛍光のスペクトルを測定するハイパースペクトルカメラ４２とを有する。ハイパースペクトルカメラ４２は、空間分解能と波長分解能を有するカメラである。レーザーダイオード４１から発せられるレーザー入射方向と、ハイパースペクトルカメラ４２の光軸４２０の方向とのなす角度は５５°に設定した。

図２９は、波長４５０ｎｍ、スポットサイズ（半値幅）８０μｍのレーザー光を照射したときの、試料Ｋの波長変換層１１から取り出される波長５４０ｎｍの蛍光の広がり量を示すグラフである。図２９には、比較例として、蛍光体粒子１２ａが内部に気孔１２０を含まない点のみにおいて試料Ｋと異なる波長変換部材の特性も併せて示されている。

図２９のグラフの横軸は、波長変換層１１の表面上の位置であり、縦軸は、波長変換層１１により波長変換された波長５４０ｎｍの蛍光の強度である。ここで、横軸の波長変換層１１の表面上の位置は、励起光の照射スポットの中心からの距離で表される。また、図２９の試料Ｋと比較例に係る波長変換部材の蛍光強度データは、試料Ｋの蛍光強度のピーク値と比較例に係る波長変換部材の蛍光強度のピーク値が一致するように規格化されている。

図２９によれば、試料Ｋの方が、比較例に係る波長変換部材よりも、ピークの広がりが小さく、波長変換層１１から取り出される光の広がりが小さいことがわかる。この光の広がりが小さいため、集光光学系での結合効率が高くなり、プロジェクター効率が高くできる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態及び実施例の構成要素を任意に組み合わせることができる。

また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１、２、５０…波長変換部材、 １０、５３…基板、 １０ａ…孔、 １１、２１、５１…波長変換層、 １２…蛍光体粒子群、 １２ａ、１２ｂ…蛍光体粒子、 １３…封止部材、 １４、１４ａ、１４ｂ…高反射率層、 １５…低屈折率樹脂膜、 １６…添加剤、 ２１ａ…上層、 ２１ｂ…下層、 ３０、４０…評価光学系、 ３１、４１…レーザーダイオード、 ３２…ダイクロイックミラー、 ３３…光検出器、 ４２…ハイパースペクトルカメラ、 ４２０…光軸、 ５０…照射位置、 ５２…シリコーン樹脂、 １２０…気孔、 １４１…Ａｇ系膜、 １４２…保護膜、 １４３…低屈折率樹脂、 １４４…高屈折率粒子

Claims (12)

1. 支持体と、
   蛍光体粒子群と前記蛍光体粒子群を封止する封止部材とを含み、前記支持体上に直接又は他の層を介して設けられた波長変換層と、
   を備え、
   前記波長変換層の厚さ方向に平行な任意の断面に、前記蛍光体粒子群の断面の面積比率が５０％以上である所定の領域が含まれ、
   前記所定の領域が、前記波長変換層の厚さが５０μｍ以上の場合は前記波長変換層の底面からの厚さが５０μｍで幅が７００μｍの長方形の領域であり、前記波長変換層の厚さが５０μｍ未満の場合は厚さが前記波長変換層の厚さで幅が７００μｍの長方形の領域であり、
   前記蛍光体粒子群が、前記波長変換層の厚さ方向に平行な断面における断面の最大長さが４０μｍ以上である大径の蛍光体粒子と、前記波長変換層の厚さ方向に平行な断面における断面の最大長さが３０μｍ以下である小径の蛍光体粒子とを含み、
   前記所定の領域に、最大長さが４０μｍ以上の前記大径の蛍光体粒子の断面が２個以上含まれ、
   前記大径の蛍光体粒子が単結晶の蛍光体粒子であり、
   前記小径の蛍光体粒子が単結晶の蛍光体粒子および／または多結晶の蛍光体粒子である、
   波長変換部材。
2. 前記小径の蛍光体粒子が単結晶の蛍光体粒子である、
   請求項１に記載の波長変換部材。
3. 前記小径の蛍光体粒子が多結晶の蛍光体粒子である、
   請求項１に記載の波長変換部材。
4. 前記蛍光体粒子群に、内部に複数の気孔を有する蛍光体粒子が含まれる、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の波長変換部材。
5. 前記単結晶の蛍光体粒子の少なくとも一部が、組成式（Ｙ_{１－ｘ－ｙ－ｚ}Ｌｕ_ｘＧｄ_ｙＣｅ_ｚ）_３＋ａＡｌ_５－ａＯ_１２（０≦ｘ≦０．９９９４、０≦ｙ≦０．０６６９、０．０００２≦ｚ≦０．００６７、－０．０１６≦ａ≦０．３１５）で表される範囲内の組成を有する、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の波長変換部材。
6. 前記蛍光体粒子群が、表面が曲面形状である蛍光体粒子を含む、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の波長変換部材。
7. 前記封止部材がジメチル系シリコーン樹脂からなる、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の波長変換部材。
8. 前記封止部材がＳｉＯ_２系化合物を主成分とする、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の波長変換部材。
9. 前記波長変換層において、前記蛍光体粒子群に加え、前記蛍光体粒子群を構成する蛍光体粒子よりも熱伝導率が高い添加剤が前記封止部材に封止されている、
   請求項１～８のいずれか１項に記載の波長変換部材。
10. 前記添加剤が、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ダイヤモンド（Ｃ）、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、又はＭｇＯからなる、
    請求項９に記載の波長変換部材。
11. 前記波長変換層の上に、前記封止部材よりも屈折率の低い低屈折率層を備えた、
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の波長変換部材。
12. 前記低屈折率層の厚さが５μｍ以上である、
    請求項１１に記載の波長変換部材。
    

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