JP7478362B2 - 波長変換部材、プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、波長変換部材、及び波長変換部材を搭載したプロジェクタに関する。

従来、蛍光体の粒子（以下、「蛍光体粒」と称する。）と多結晶体の酸化物からなるバインダとで構成された蛍光層を備える波長変換部材が知られている。例えば、下記特許文献１には、ガーネット構造を有する酸化物蛍光体（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ、Ｌｕ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ等）からなる蛍光体粒と、酸化マグネシウム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。

そして、下記特許文献２には、励起光の散乱の抑制や、蛍光取り出し効率の向上のために、励起光が入射し、かつ、蛍光が取り出される面に凹凸形状を呈するモスアイ構造が形成された蛍光体を備える波長変換部材が開示されている。

特開２０１８－１８０２７１号公報 特開２０１８－１１３１１７号公報

波長変換部材は、出射する光の波長帯域にもよるが、主な用途の一つとして、プロジェクタに用いられている。このため、より高輝度で、高効率な波長変換部材が期待されており、光源開発分野において重要な課題の一つとなっている。

そこで、本発明者らは、より高輝度で、高効率な波長変換部材を鋭意検討していたところ、以下のような課題が存在することを見い出した。以下、図面を参照しながら説明する。

図５は、波長変換部材１００の一構成例を模式的に示す図面である。図５に示す波長変換部材１００は、蛍光体粒１０１ａとバインダ１０１ｂからなる蛍光層１０１と、反射層１０３とを備えている。蛍光体粒１０１ａから出射された光のうちの、主面１０１ｐ側に向かって進行する光は、そのまま主面１０１ｐから出射される。主面１０１ｑに向かって進行する光は、主面１０１ｑに設けられた反射層１０３によって主面１０１ｐ側に向かうように反射される。なお、バインダ１０１ｂ内を進行する途中で、蛍光体粒１０１ａに入射した光は、当該蛍光体粒１０１ａの励起光となる。

蛍光体粒１０１ａから出射される光には、蛍光層１０１の側面１０１ｓ側に向かって進行する光も含まれる。側面１０１ｓ側に向かって進行する蛍光が多くなると、主面１０１ｐ側から取り出される蛍光の輝度が低下してしまう。特に、蛍光体粒１０１ａとバインダ１０１ｂとの屈折率が近接すると、蛍光体粒１０１ａから生じた蛍光が主面１０１ｐに平行な方向に進行しやすくなる。

これを解消する方法としては、バインダ１０１ｂの屈折率よりも十分に屈折率が大きい蛍光体材料を採用し、図５に示すように、蛍光体粒１０１ａから各側面１０１ｓ側に向かって出射される蛍光Ｌを、蛍光体粒１０１ａとバインダ１０１ｂとの境界において各主面（１０１ｐ，１０１ｑ）側に屈折させる方法が考えられる。

そして、図５に示す構成の波長変換部材１００よりも、さらに光取り出し効率を向上させるための方法として、蛍光層１０１の主面１０１ｐ上にモスアイ構造体１０２を形成することが考えられる。

図６は、モスアイ構造体１０２が形成された波長変換部材１００の一構成例を模式的に示す図面である。図５に示すような蛍光層１０１の主面１０１ｐ上にモスアイ構造体１０２の材料を積層し、エッチング処理によって凹凸形状を形成することで、図６に示すようなモスアイ構造体１０２を備える波長変換部材１００が得られる。

ここで、バインダ１０１ｂとの屈折率差を小さくし、バインダ１０１ｂ内を進行する光を効率よく波長変換部材１００の外側へと取り出す観点から、モスアイ構造体１０２をバインダ１０１ｂと同じ材料で構成した場合を考える。この場合、上述したように、蛍光体粒１０１ａの屈折率がバインダ１０１ｂの屈折率よりも十分大きいため、蛍光体粒１０１ａの屈折率は、バインダ１０１ｂと同じ材料で形成されるモスアイ構造体１０２の屈折率に対しても十分大きくなる。そうすると、図５に示す波長変換部材１００の構成において、蛍光層１０１の主面１０１ｐ上の蛍光体粒１０１ａの表面で発生していた全反射は、図６に示す波長変換部材１００の構成としてもほとんど抑制されない。

以上のことから、本発明者らは、より輝度が高い波長変換部材１００を構成すべく、蛍光体粒１０１ａの屈折率とバインダ１０１ｂの屈折率との差を大きくすると共に、バインダの材料よりも大きな屈折率の材料からなるモスアイ構造体１０２を、蛍光層１０１の主面１０１ｐに接合する構成を検討していた。

ところが、蛍光層１０１の主面１０１ｐに、バインダ１０１ｂとは別の材料で形成したモスアイ構造体１０２を接合する構成の波長変換部材１００を製造すると、モスアイ構造体１０２の一部が蛍光層１０１の主面１０１ｐから剥離する現象が発生することを突き止めた。本発明者らは、この課題の原因について、以下のように推察している。

図７は、蛍光層１０１にモスアイ構造体１０２を直接積層して構成された波長変換部材１００の模式的な図面であり、図８は、図７の領域Ａの拡大図である。蛍光体粒１０１ａとバインダ１０１ｂは異なる材料であるため、採用され得る材料によって程度は異なるが、バインダ１０１ｂの熱膨張率と蛍光体粒１０１ａの熱膨張率には少なからず差がある。なお、多くの場合、バインダ１０１ｂの熱膨張率は、蛍光体粒１０１ａの熱膨張率よりも大きい。

蛍光層１０１は、蛍光体粒１０１ａの材料となる蛍光体材料の粒子と、バインダ１０１ｂの材料となる多結晶体の酸化物粒子とを混合し、押し固められた後に焼結処理されることで製造される。このとき、図７に示すように、蛍光体粒１０１ａの一部が蛍光層１０１の主面（１０１ｐ，１０１ｑ）に不可避的に露出することがある。また、焼結工程が完了した蛍光層１０１は、波長変換部材１００を構成するために各主面が研磨処理され、ほとんどの蛍光層１０１は、蛍光体粒１０１ａの一部が蛍光層１０１の主面に露出している。モスアイ構造体１０２は、こうして製造された蛍光層１０１の主面に積層される。

上記構成の波長変換部材１００は、加熱処理後に冷却される過程において、上述した熱膨張率の差により、図８に示すように、蛍光体粒１０１ａとモスアイ構造体１０２にバインダ１０１ｂの収縮による応力Ｆがかかる。これにより、モスアイ構造体１０２が撓み、この撓みに起因して蛍光体粒１０１ａとモスアイ構造体１０２との間で剥離が発生したものと推察される。このような剥離現象は、波長変換部材１００の信頼性に関わる課題となる。

本発明は、上記課題に鑑み、高輝度、かつ、高効率であって、信頼性が向上された波長変換部材を提供することを目的とする。

本発明の波長変換部材は、
Ｓｉを含む窒化物蛍光体材料からなる蛍光体粒と、多結晶体の酸化物材料からなるバインダとを含んでなり、少なくとも一つの主面において、前記蛍光体粒の一部が露出している蛍光層と、
前記蛍光層の前記蛍光体粒の一部が露出した主面上に設けられた、特定の金属酸化膜からなる第一接合層と、
前記蛍光層に前記第一接合層を介して接合された、凹凸形状を呈するモスアイ構造体とを備え、
前記第一接合層の屈折率が、前記バインダの屈折率よりも大きく、前記モスアイ構造体の屈折率が、前記第一接合層の屈折率よりも大きいことを特徴とする。

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。

本明細書における「特定の金属酸化膜」とは、蛍光体粒の表面と接触し、真空蒸着やスパッタ等の成膜等によって、当該金属酸化膜自体に含まれる酸素（Ｏ）と、蛍光体粒に含まれるＳｉとを含む酸化膜（自然酸化膜や複合酸化膜）を形成する材料をいう。

Ｓｉを含む窒化物蛍光体材料は、例えば、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅで規定される蛍光体材料や、（Ｌａ，Ｙ）₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅで規定される蛍光体材料が挙げられる。これらの蛍光体材料からなる蛍光体粒は、屈折率が２．０であり、励起光が入射されると同じく黄色の光を出射する、屈折率が１．７であるＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅで規定される蛍光体材料よりも高い屈折率を示す蛍光体材料である。以下、同様に部材ごとに屈折率を記載して説明する箇所があるが、いずれの屈折率の値も一般的に目安として参照される単なる代表値である。

蛍光体粒からバインダに向かって出射されてモスアイ構造体側に向かう光は、バインダからより屈折率が高い第一接合層に入射し、その後、第一接合層からより屈折率の高いモスアイ構造体に入射する。このように光が通過する領域の屈折率が徐々に高くなることで、蛍光体粒から出射された光は、各層が積層されている方向への拡がりが抑制される。そして、モスアイ構造体に到達した光は、空気との間で屈折率が緩やかに変化するモスアイ構造体の凹凸形状の部分から、波長変換部材の外側に出射される。

さらに、第一接合層がバインダの材料よりも屈折率が高い材料で構成されることで、バインダと同じ材料で構成される場合と比較して、蛍光体粒と第一接合層との境界で発生する全反射が抑制される。

上記構成とすることで、蛍光体粒から出射されたより多くの光がモスアイ構造体から波長変換部材の外側へと出射される。また、第一接合層が蛍光体粒と接触している部分に酸化膜（自然酸化膜や複合酸化膜）が形成されることで、蛍光層と第一接合層との密着性が高められる。さらに、第一接合層がバインダの収縮による応力を緩衝するように機能するため、モスアイ構造体の剥離が抑制される。

上記波長変換部材において、
前記蛍光層は、気孔が含まれており、前記蛍光層の前記蛍光体粒の周辺部に存在する気孔の総量が、前記蛍光層に含まれる気孔の総量の５０％以上であっても構わない。

本明細書における「蛍光体粒の周辺部」とは、蛍光層の主面において、蛍光体粒の粒界の外接円の直径をＲ１としたときに、蛍光体粒の表面と、当該外接円と同心であって、Ｒ１に対して１３０％の直径Ｒ２の円によって囲まれた領域をいう。観察される主面等の詳細は、「発明を実施するための形態」において、図３Ａ～図３Ｃを参照しながら説明する。

上記構成とすることで、蛍光体粒は、モスアイ構造体との境界を除いて、周辺にバインダよりも屈折率差が大きい気孔（空気：屈折率が１．０）が多く形成される。したがって、蛍光から出射される光の拡がりがさらに抑制され、より効率的に光がモスアイ構造体から波長変換部材の外側へと取り出される。

上記波長変換部材において、
前記蛍光層は、気孔が含まれており、前記蛍光層の体積に対する全ての気孔の体積の合計値の比率が０．５％以上１０％未満であっても構わない。

蛍光層に気孔が含まれることで、気孔がバインダの収縮を緩衝するように機能する。これにより、バインダの収縮によって蛍光体粒に加わる圧縮応力が小さくなり、蛍光体粒と第一接合層の間に加わる力が緩和される。バインダの収縮による蛍光体粒と第一接合層の間に加わる力を十分に緩和するには、上記のように、蛍光層の体積に対する全ての気孔の体積の合計値の比率が０．５％以上であることが好ましい。

気孔の量が多くなり過ぎると、蛍光層全体が脆くなり、割れや崩れが発生しやすくなる。また、気孔はバインダと比較すると熱伝導率が低いため、気孔の量が多いと蛍光層で発生する熱を効率よく排熱できなくなり、かえって発光効率を悪化させてしまう。したがって、上記のように、蛍光層の体積に対する全ての気孔の体積の合計値の比率は、１０％未満であることが好ましい。

上記波長変換部材は、
前記蛍光層に含有される前記蛍光体粒の含有率が４０質量％以下であっても構わない。

蛍光層は、蛍光体粒の含有率が高くなると、相対的にバインダの含有率が低くなり、割れや崩れが発生しやすくなってしまい外力に対して非常に弱くなってしまう。したがって、上記のように、蛍光体粒の含有率は、４０質量％以下であることが好ましい。

上記波長変換部材は、
前記第一接合層を構成する材料が、ＨｆＯ₂であっても構わない。

ＨｆＯ₂から成る第一接合層が蛍光層の主面に形成されると、蛍光体粒と第一接合層が接触している部分において、酸化膜による結合部が形成される。これは、ＳｉＯ₂とＨｆＯ₂の複合酸化膜であると考えられる。したがって、上記構成とすることで、蛍光層と第一接合層との密着性が向上される。

上記波長変換部材において、
前記バインダは、材料にＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯのうちの一つ、又は二つを含むものであっても構わない。

上記波長変換部材は、
前記蛍光層には、前記第一接合層が設けられた主面と対向する側の主面上に、主成分が金属酸化物から成る第二接合層が形成されており、
前記蛍光層に、前記第二接合層を介して接合され、前記蛍光体粒から出射されて前記第二接合層側に向かって進行する光を、前記第一接合層側に向かうように反射させる反射層が設けられていても構わない。

上述したように、蛍光体粒は、蛍光層の主面に不可避的に露出することがある。また、蛍光層の製造工程では、蛍光体粒とバインダとを焼結させた後、形成された板状の蛍光層は、主面のそれぞれが研磨処理される。このため、蛍光層は、いずれの主面においても蛍光体粒が露出しやすく、蛍光層のモスアイ構造体が接合される主面とは反対側の主面である、反射層が接合される面においても、蛍光層と反射層との剥離が発生する懸念がある。

そこで、上記構成とすることで、蛍光層と反射層との間の剥離を抑制することができ、より信頼性の高い波長変換部材を構成することができる。なお、第二接合層の材料としては、例えば、主成分がＳｉＯ₂やＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等の材料から成る増反射構造を採用し得る。

本発明のプロジェクタは、
励起光を発する励起光源と、
前記励起光が入射される、請求項１～７のいずれか一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が入射される光学系とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、高輝度、かつ、高効率であって、信頼性が向上された波長変換部材が実現される。

波長変換部材の一実施形態の断面を模式的に示す図面である。 図１の領域Ａの拡大図である。 波長変換部材から、第一接合部とモスアイ構造体を取り除き、蛍光層を半分の厚さまで研磨した状態を示す図面である。 図３Ａの蛍光層の研磨によって現れた主面と対向する方向から見たときの図面である。 図３Ｂに図示されている蛍光体粒の一つを拡大した図面である。 プロジェクタの構成の一例を模式的に示す図面である。 波長変換部材の一構成例を模式的に示す図面である。 モスアイ構造が形成された波長変換部材の構成を模式的に示す図面である。 蛍光層にモスアイ構造体を直接積層して構成された波長変換部材の模式的な図面である。 図７の領域Ａの拡大図である。

以下、本発明の波長変換部材及びプロジェクタについて、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、図面上の個数は、実際の個数と必ずしも一致していない。

［波長変換部材］
図１は、波長変換部材１の一実施形態の断面を模式的に示す図面である。図１に示すように、波長変換部材１は、蛍光体粒１０ａとバインダ１０ｂからなる蛍光層１０と、第一接合層１１と、モスアイ構造体１２と、基台１３と、金属接合層１４と、反射層１５と、第二接合層１６とを備える。なお、図１において、蛍光体粒１０ａは、模式的に全て六角形で図示しているが、断面が六角形に限られるものではない。

本実施形態の蛍光体粒１０ａは、Ｓｉを含む窒化物蛍光体材料の一種であるＬａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ蛍光体（以下、「ＬＳＮ蛍光体」という。）であり、屈折率が２．０である。バインダ１０ｂは、ＭｇＯからなり、屈折率が１．７４である。蛍光層１０は、蛍光体粒１０ａと、バインダ１０ｂの材料であるＭｇＯの粒子とを混合したものを押し固めて、焼結処理したものである。

焼結処理によって作製された蛍光層１０は、波長変換部材１に実装するために、各主面（１０ｐ，１０ｑ）が所定の厚さとなるように研磨処理される。蛍光体粒１０ａは、焼結処理された時点で、蛍光層１０の主面（１０ｐ，１０ｑ）に露出していることもあるが、この研磨処理において、蛍光層１０のいずれの主面（１０ｐ，１０ｑ）においても蛍光体粒１０ａの一部が露出する。なお、本実施形態の蛍光層１０の厚みは、排熱性の観点から、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることが好ましく、０．７ｍｍ以上１．２ｍｍ以下とすることがより好ましい。

蛍光体粒１０ａは、Ｓｉを含む窒化物蛍光体材料からなる蛍光体であれば、ＬＳＮ蛍光体以外の蛍光体を採用しても構わない。また、バインダ１０ｂの材料は、ＭｇＯ以外の多結晶体の酸化物材料が採用されてもよく、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃や、ＭｇＯとＡｌ₂Ｏ₃のいずれをも含む材料であっても構わない。

図２は、図１の領域Ａの拡大図である。図２に示すように、蛍光体粒１０ａの周辺部には、気孔１０ｃが多数形成されている。図２において、気孔１０ｃは、模式的に円形で細かく分離された状態で図示されているが、これらの気孔１０ｃは、連結して、例えば、蛍光体粒１０ａの半周以上を覆うような大きな空洞として形成されていても構わない。

蛍光層１０の作製における焼結処理の工程は、蛍光体粒１０ａにおいて失活が起きないように温度が調整されることが好ましく、１０００℃～１３００℃程度の温度範囲で実施される。このような温度範囲で焼結工程が実施されると、バインダ１０ｂは、粒子（本実施形態ではＭｇＯ粒子）間で原子の相互拡散・結晶粒の粗大化が進み、気孔１０ｃの量が少なくなる。

一方、難焼結体である窒化物蛍光体（本実施形態ではＬＳＮ蛍光体）は、窒化物と粒子の界面において原子の相互拡散が起こりにくく、結晶粒の粗大化が起こりにくい。したがって、蛍光層１０は、上記の温度範囲で焼結されることで、図２に示すような、蛍光体粒１０ａの周辺部に気孔１０ｃが集中した構成となる。

ここで、蛍光体粒１０ａの周辺部について、図３Ａ～図３Ｃを参照しながら説明する。図３Ａは、波長変換部材１から、第一接合層１１とモスアイ構造体１２を取り除き、蛍光層１０を半分の厚さまで研磨した状態を示す図面であり、破線によって蛍光層１０の削られた部分が図示されている。図３Ｂは、図３Ａの蛍光層１０の研磨によって現れた被撮影面１０ｒと対向する方向から見たときの図面であって、図３Ｃは、図３Ｂに図示されている蛍光体粒１０ａの一つを拡大した図面である。

蛍光体粒１０ａの周辺部は、図３Ａに示すように、蛍光層１０を半分の厚さにまで研磨することで現れた被撮影面１０ｒの画像によって確認される。なお、ここでの画像は、例えば、ＳＥＭで被撮影面１０ｒを撮影することで取得された画像であって、当該ＳＥＭ画像の一例を模式的に示した図面が図３Ｂである。また、蛍光層１０を研磨する厚さが元の厚さの半分と多少異なっていたとしても、気孔１０ｃの分布は大きく変わらないため、画像を取得するために蛍光層１０を研磨する厚さは、元の厚さの４０％～６０％の範囲内であればよい。

一つの蛍光体粒１０ａについて説明すると、蛍光体粒１０ａの周辺部とは、図３Ｃに示すように、被撮影面１０ｒの蛍光体粒１０ａの粒界の外接円（破線で図示された円）の直径をＲ１としたときに、当該外接円と同心であって、Ｒ１に対して１３０％の直径Ｒ２の円（実線で図示された円）と、蛍光体粒１０ａの表面とによって囲まれた領域（ハッチングされている領域）をいう。

蛍光層１０は、焼結温度や焼結方法等を調整することによって、気孔１０ｃの量や蛍光層１０全体に対する割合を微調整することができる。本実施形態の蛍光層１０は、蛍光体粒１０ａの周辺部に存在する気孔１０ｃの総量が、蛍光層１０全体に含まれる気孔１０ｃの総量の５０％以上であって、蛍光層１０全体の体積に対する全ての気孔１０ｃの体積の合計値の比率が０．５％となるように形成されている。

第一接合層１１によって剥離を十分に抑制できる場合、蛍光体粒１０ａの周辺部に存在する気孔１０ｃの総量の比率と、蛍光層１０全体の体積に対する全ての気孔１０ｃの体積の合計値の比率は、任意の値に調整されていても構わない。なお、蛍光層１０における気孔１０ｃの総量の比率や体積比率の効果については、後述の「検証２」及び［検証３］において確認される。

蛍光層１０は、気孔１０ｃが含まれないように作製することも可能ではあるが、高圧力で押し固める装置や、高出力の焼結炉で焼結させる必要等がある。このため、作製にかかる時間やコストが大きくなり、製品開発としては現実的ではない。一方、気孔１０ｃの量が多くなりすぎると、蛍光層１０全体が脆くなり、割れや崩れが発生するリスクが高まることから、気孔１０ｃの量が多すぎても問題が生じ得る。このため、実際の製品、又は製品の部材として製造される蛍光層１０には、多くの場合０．５％以上１０％未満の気孔１０ｃが含まれる。なお、蛍光拡がり抑制の効果を高めるという観点では、気孔１０ｃの直径が０．１μｍから１５０μｍであることが望ましい。

第一接合層１１は、主成分がＨｆＯ₂の薄膜層であって、屈折率が１．９である。主成分がＨｆＯ₂である第一接合層１１は、アニール処理等によって熱が加えられると、図２に示すように、蛍光層１０の表面に露出した蛍光体粒１０ａと接触している部分において、ＬＳＮ蛍光体からなる蛍光体粒１０ａの表面に存在するＳｉを要素に含む酸化膜２０を形成する。この酸化膜２０は、ＨｆＯ₂とＳｉＯ₂から形成される複合酸化膜であると考えられる。この酸化膜２０が形成されることで、蛍光体粒１０ａと第一接合層１１とが密着する。第一接合層１１の厚みは、光の透過性等の観点から、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましく、２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすることがより好ましい。

モスアイ構造体１２は、第一接合層１１を介して蛍光層１０に接合される、凹凸形状を呈する周期構造体である。当該凹凸形状は、３００ｎｍ以上６００ｎｍ以下のナノメートルオーダーの径で形成されている。

本実施形態のモスアイ構造体１２の主成分は、ＺｒＯ₂であって、屈折率が２．１５である。モスアイ構造体１２は、屈折率が１．０の空気とは屈折率差が大きいが、凹凸形状によって空気との屈折率差が徐々に緩和されるように形成されており、全反射を抑制して、励起光を取り込みやすく、かつ、蛍光体粒１０ａから出射された光を取り出しやすくする。モスアイ構造体１２は、例えば、ＴｉＯ₂を主成分とする材料で構成されていても構わない。ＴｉＯ₂の屈折率は、２．３３－２．５５である。

以上のとおり、本実施形態の波長変換部材１は、第一接合層１１の屈折率が、バインダ１０ｂの屈折率よりも大きく、モスアイ構造体１２の屈折率が、第一接合層１１の屈折率よりも大きくなるように構成されている。

第一接合層１１は、蛍光体粒１０ａの表面と接触し、アニール処理等によって、蛍光体粒１０ａに含まれるＳｉと結合して酸化膜を形成するものであって、屈折率が上述の大小関係を満たすものであれば、主成分がＨｆＯ₂以外の金属酸化膜を材料で作製されていても構わない。

なお、本実施形態では、蛍光層１０における蛍光体粒１０ａの含有率が４０質量％となるように構成されている。蛍光層１０における蛍光体粒１０ａの含有率は、４０質量％よりも大きくてもよいが、上述したように、排熱性や主面１０ｐにおける蛍光体粒１０ａの露出面積の観点から、４０質量％以下とすることが好ましい。なお、蛍光層１０における蛍光体粒１０ａの含有率の違いによる効果については、後述の［検証１］において確認される。

基台１３は、蛍光層１０を載置する土台であって、蛍光層１０で発生する熱を排熱するために熱伝導率の高い材料で構成されている。基台１３の材料は、例えば、Ｃｕ、銅化合物（ＭｏＣｕ，ＣｕＷ等）、Ａｌ、ＡｌＮ等を採用し得る。

基台１３の厚みは、例えば、０．５ｍｍ～５．０ｍｍであって、排熱性の観点から、基台１３の主面の面積は、蛍光層１０の主面（１０ｐ，１０ｑ）の面積よりも大きいことが好ましい。

金属接合層１４は、基台１３と後述する反射層１５とを接合する層であり、本実施形態では、ハンダ層である。排熱性等の観点から、金属接合層１４を構成する材料としては、例えば、Ｓｎ、Ｐｂ等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系ハンダ等を用いることができる。

なお、図示してはいないが、基台１３と金属接合層１４との密着性をより高める観点から、基台１３と金属接合層１４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ても構わない。

反射層１５は、図１に示すように、蛍光層１０の基台１３側の主面１０ｑに第二接合層１６を介して形成されている。この反射層１５は、蛍光層１０内を進行する光のうち、モスアイ構造体１２とは反対側（基台１３側）に進行した光をモスアイ構造体１２側に進行するように反射させるために設けられている。

図示してはいないが、本実施形態の反射層１５は、Ａｌによる金属反射層と、誘電体多層膜によって形成された増反射膜とで構成されている。なお、反射層１５は、金属反射層、又は増反射層のみで構成されていてもよく、金属反射層を構成する材料は、Ａｌ以外にＡｇ等を採用しても構わない。

第二接合層１６は、主成分がＳｉＯ₂の薄膜層であって、蛍光層１０と反射層１５との密着性を高めるために設けられる層である。第二接合層１６に含まれるＳｉＯ₂は、蛍光体粒１０ａの表面上に存在するＳｉと結合し、図示されてはいないが、酸化膜が形成される。これにより、蛍光層１０と反射層１５との密着性が向上される。

なお、第二接合層１６の材料は、第一接合層１１と同様に、真空蒸着やスパッタ等の成膜等によってＬＳＮ蛍光体からなる蛍光体粒１０ａとの間で酸化膜が形成される材料であれば、ＳｉＯ₂以外の金属酸化物であってもよく、例えば、ＨｆＯ₂等を採用し得る。また、波長変換部材１は、蛍光層１０と反射層１５との間における剥離が問題とならない場合、これらを接合、密着させる層としての第二接合層１６を備えない構成としても構わない。

上記構成とすることで、蛍光層１０（特に蛍光体粒１０ａ）とモスアイ構造体１２との間で発生する剥離が抑制され、波長変換部材１の信頼性が向上される。また、波長変換部材１は、屈折率がバインダ１０ｂ、第一接合層１１、モスアイ構造体１２の順に徐々に大きくなるため、光の拡がりが抑制されて、発光効率が向上される。さらに、第一接合層１１がバインダ１０ｂと同じ材料で構成された場合と比較すると、蛍光体粒１０ａと第一接合層１１との境界で発生する全反射が抑制され、発光効率がさらに向上される。

（製造方法）
上述した構成を備える波長変換部材１の製造方法の一例を説明する。ＬＳＮ蛍光体の粒子と、バインダ１０ｂの材料であるＭｇＯ粒子（酸化マグネシウム粒子）とが混合される。混合する方法としては、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。このとき、蛍光体の粒子の含有率が２０質量％～２５質量％となるように各粒子の量が調整される。

ＬＳＮ蛍光体の粒子とＭｇＯ粒子とが混合された混合材料は、押し固められて板形状に成形される。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。

板形状に成形された混合材料は、炉に入れられ、約１０００℃で焼結処理される。ここでの焼結処理の温度は、蛍光層１０に形成される気孔１０ｃの体積合計値が、蛍光層１０全体の体積の０．５％以上１０％未満となるように調整されている。

焼結処理された板状の部材は、厚みが０．１ｍｍとなるように各主面（１０ｐ，１０ｑ）が研磨処理されて蛍光層１０となる。

図１に示すように、蛍光層１０のそれぞれの主面（１０ｐ，１０ｑ）に、ＨｆＯ₂を主成分とする第一接合層１１と、ＳｉＯ₂を主成分とする第二接合層１６が形成される。なお、各接合層（１１，１６）の形成方法は、真空蒸着法やスパッタリング法等を採用し得るが、ここでは、真空蒸着法を採用した。

第一接合層１１上には、ＺｒＯ₂を主成分とする材料が積層され、積層された当該材料に対してエッチング処理を施すことで、凹凸形状を呈するモスアイ構造体１２が形成される。このようにして、バインダ１０ｂとは異なる材料からなるモスアイ構造体１２が、第一接合層１１を介して蛍光層１０に接合された構成となる。上述したように、凹凸形状は、３００ｎｍ以上６００ｎｍ以下のナノメートルオーダーの径で形成される。

第二接合層１６上には、所定の誘電体材料が順次積層されて誘電体多層膜による増反射層が形成され、さらにＡｌの金属反射層が形成される。このようにして、第二接合層１６を介して蛍光層１０に接合された反射層１５が形成される。

上記の工程によって製造された部材が、ハンダによって基台１３の主面上に接合される。このハンダが、金属接合層１４となる。

以上の工程を経て、図１に示すような、本実施形態の波長変換部材１が製造される。

以下、波長変換部材のサンプルを作成して行った、密着強度等の検証実験について説明する。

［検証１］
第一接合層１１の材料による密着性の効果の違いと、蛍光層１０における蛍光体粒１０ａの含有率の密着性に対する影響を確認する検証実験を行った。

（実施例１）
上述の作製方法で作製された波長変換部材１のサンプルを実施例１とした。

（比較例１）
第一接合層１１の材料がＺｒＯ₂であることを除けば、実施例１と同じ構成のサンプルを比較例１とした。

（実験方法）
本実験は、ステージ上に載置された波長変換部材１に対して、カッターナイフで格子状の切込み入れ、切込みを入れた領域にテープを貼り付けて引き剥がす、という方法で行った。実験における条件の詳細は、ＪＩＳ Ｋ ５６００－５－６「付着性（クロスカット法）」に基づいて行った。

実験治具は、ＣＯＴＥＣ社製 ＪＩＳクロスカットガイド ＣＣＪ－２を使用した。

テープの貼り方、剥がし方については、ＪＩＳ Ｈ ８５０４ １５「引き剥がし試験方法」に従って行った。

テープは、粘着力が４Ｎ／１０ｍｍで、幅が１２ｍｍのテープを使用した。

実施例１、比較例１それぞれについて、蛍光層１０を作製する際の、蛍光体粒１０ａとバインダ１０ｂの材料となるＭｇＯ粒子の混合比率を変えて実験を行った。蛍光層１０における蛍光体粒１０ａの含有率は、１０質量％、２０質量％、３０質量％、４０質量％、５０質量％、６０質量％となるように調整した。なお、各条件における蛍光層１０に形成される気孔１０ｃの体積合計値は、いずれの場合も蛍光層１０全体の体積の３％以上５％未満となるように調整した。

テープを貼り付けて、剥がした後、顕微鏡を用いて確認を行い、モスアイ構造体１２が全体面積の５０％以上残存した場合は「Ａ」、５０％未満ではあるが残存した場合は「Ｂ」、全く残存していなかった場合は「Ｃ」とした。

（結果）
以下、表１は、それぞれの実験結果である。

比較例１の波長変換部材１は、１０質量％の条件を除いて、モスアイ構造体１２が全て剥離してしまったが、実施例１の波長変換部材１は、いずれの含有率においても、全て剥離した結果はなく、比較例１よりも密着強度が高いことが確認された。比較例１において、１０質量％で剥離が確認されなかったのは、蛍光体粒１０ａが少なく、蛍光体粒１０ａと第一接合層１１との接触部が極端に少なかったためと考えられる。

また、蛍光層１０における蛍光体粒１０ａの含有率が４０質量％以下の場合においては剥離が確認されず、より剥離が起きにくいことが確認された。

［検証２］
蛍光層１０の強度及び熱伝導率に関し、蛍光層１０に含まれる気孔１０ｃの量による影響を確認する検証実験を行った。

（実験方法）
蛍光層１０の強度評価は、蛍光層１０の焼結工程後、０．１ｍｍまで研磨した後に割れや破損が発生しているか否かを確認した。

蛍光層１０の熱伝導率評価は、波長変換部材１に対して、０Ｗから１００Ｗの強度の励起光をモスアイ構造体１２から波長変換部材１に順次入射させたときの、波長変換部材１のモスアイ構造体１２から出力される、ピーク波長５３７ｎｍ近傍の蛍光の最大出力値を確認した。

実施例１について、蛍光層１０を作製する際の焼結温度を調整し、蛍光層１０に含まれる気孔１０ｃの量を変えて実験を行った。蛍光層１０の体積に対する全ての気孔１０ｃの体積の合計値の比率は、０．５％、２０％となるように焼結処理時の温度等を調整して作製した。作製した蛍光層１０における気孔１０ｃの総量は、焼結処理後の材料の体積と重量を測定し、同体積に材料の理論密度を乗じ求めた重量との差から求めた。なお、気孔１０ｃの総量は、例えばＸ線ＣＴ等の計測機器を用いて求めることもできる。

蛍光層１０の強度評価は、実体顕微鏡等での確認によって所定の大きさ以上の割れや破損が確認されなければ「Ａ」、所定の大きさ以上の割れや破損等が確認されれば「Ｂ」とした。

蛍光層１０の熱伝導率評価は、蛍光の最大出力値が大きい方を「Ａ」、小さい方を「Ｂ」とした。

（結果）
以下、表２は、それぞれの実験結果である。

蛍光層１０の体積に対する全ての気孔１０ｃの体積の合計値の比率が０．５％では、いずれも「Ａ」であり、２０％では、いずれも「Ｂ」であった。したがって、気孔１０ｃの量が少ない蛍光層１０の方が、より強度が高く、排熱効率に優れた波長変換部材１を構成できるということが確認された。

なお、蛍光層１０に割れや破損が確認された場合であっても、第一接合層１１及び第二接合層１６によって各主面（１０ｐ，１０ｑ）が覆われるので、高い耐久性が求められない場合は、そのまま波長変換部材１に搭載することが可能である。また、発熱によって輝度が本検証において「Ｂ」と判定する閾値以下にまで低下してしまう波長変換部材であっても、装置で要求される輝度が維持されている場合等であれば問題なく使用することが可能である。

［検証３］
蛍光層１０とモスアイ構造体１２の密着強度に関し、蛍光層１０に含まれる気孔１０ｃの量による影響を確認する検証実験を行った。

（実験方法）
本検証は、検証１と同様の方法で行った。

上述したように、気孔１０ｃを含まない蛍光層１０を作製することは可能ではあるが、実際に製造される製品の多くは、蛍光層１０に０．５％程度の気孔１０ｃが含まれる。また、気孔１０ｃの量が多すぎると、検証２の結果からわかるように、蛍光層１０の強度や排熱効率の懸念が生じてしまうため、気孔１０ｃの量は多くとも２０％以下とされる。

そこで、本検証に用いるサンプルは、実施例１の作製工程における焼結処理の温度を調整することで、蛍光層１０の体積に対する全ての気孔１０ｃの体積の合計値の比率は、０．５％、１０％、２０％となるように焼結処理の温度等を調整して作製した。なお、実際には、気孔１０ｃの量が正確に上記の数値となるように蛍光層１０を作製することは困難であり、僅かではあるが、蛍光層１０を作製する上で生じる程度の誤差は存在している。

検証１と同様に、テープを貼り付けて、剥がした後、顕微鏡を用いて確認を行い、モスアイ構造体１２が全体の５０％以上残存した場合は「Ａ」、５０％未満ではあるが残存した場合は「Ｂ」、全く残存していなかった場合は「Ｃ」とした。

（結果）
本検証では、蛍光層１０の体積に対する全ての気孔１０ｃの体積の合計値の比率が０．５％、１０％、２０％のいずれにおいても「Ａ」であった。したがって、実際に採用され得る気孔量の範囲内では、信頼性の問題となるようなモスアイ構造体１２の剥離が生じないことが確認された。

［プロジェクタ］
本発明の波長変換部材１は、例えば、プロジェクタに利用できる。以下、プロジェクタの一実施例につき、波長変換部材１が搭載される光源部の構成を中心に説明する。

図４は、プロジェクタ４０の構成の一例を模式的に示す図面である。図４に示すように、プロジェクタ４０は、励起光源４１と、波長変換部材１と、偏光ビームスプリッタ４３と、色分解合成光学系４４と、投影光学系４５とを備える。なお、図４に示す例では、偏光ビームスプリッタ４３と波長変換部材１との間に、位相差板４２が設けられている。位相差板４２は、例えば１／４波長板である。

励起光源４１から出射された励起光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ４３で反射された後、波長変換部材１に向かう。波長変換部材１は、入射された励起光Ｌ１の一部を励起光Ｌ１よりも長波長の蛍光Ｌ２に変換して出射する。また、励起光Ｌ１の一部は波長変換部材１で反射される。

ここで、励起光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ４３と波長変換部材１の間で位相差板４２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４１から出射された時点の励起光Ｌ１をＰ偏光とし、偏光ビームスプリッタ４３を、Ｐ偏光の励起光Ｌ１を反射し、Ｓ偏光の励起光Ｌ１及び蛍光Ｌ２を透過するように設計しておくことで、波長変換部材１から出射された励起光Ｌ１及び蛍光Ｌ２は、白色光Ｌｘとして偏光ビームスプリッタ４３を通過して後段の色分解合成光学系４４に導かれる。

色分解合成光学系４４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Ｌｘ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Ｌ３として投影光学系４５によってスクリーン（不図示）に投影される。

１ ： 波長変換部材
１０ ： 蛍光層
１０ａ ： 蛍光体粒
１０ｂ ： バインダ
１０ｃ ： 気孔
１０ｐ，１０ｑ ： 主面
１０ｒ ： 被撮影面
１１ ： 第一接合層
１２ ： モスアイ構造体
１３ ： 基台
１４ ： 金属接合層
１５ ： 反射層
１６ ： 第二接合層
２０ ： 酸化膜
４０ ： プロジェクタ
４１ ： 励起光源
４２ ： 位相差板
４３ ： 偏光ビームスプリッタ
４４ ： 色分解合成光学系
４５ ： 投影光学系
１００ ： 波長変換部材
１０１ ： 蛍光層
１０１ａ ： 蛍光体粒
１０１ｂ ： バインダ
１０１ｐ，１０１ｑ ： 主面
１０１ｓ ： 側面
１０２ ： モスアイ構造体
１０３ ： 反射層

Claims (8)

1. Ｓｉを含む窒化物蛍光体材料からなる蛍光体粒と、多結晶体の酸化物材料からなるバインダとを含んでなり、少なくとも一つの主面において、前記蛍光体粒の一部が露出している蛍光層と、
   前記蛍光層の前記蛍光体粒の一部が露出した主面上に設けられた、特定の金属酸化膜からなる第一接合層と、
   前記蛍光層に前記第一接合層を介して接合された、凹凸形状を呈するモスアイ構造体とを備え、
   前記第一接合層の屈折率が、前記バインダの屈折率よりも大きく、前記モスアイ構造体の屈折率が、前記第一接合層の屈折率よりも大きいことを特徴とする波長変換部材。
2. 前記蛍光層は、気孔が含まれており、前記蛍光層の前記蛍光体粒の周辺部に存在する気孔の総量が、前記蛍光層に含まれる気孔の総量の５０％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. 前記蛍光層は、気孔が含まれており、前記蛍光層の体積に対する全ての気孔の体積の合計値の比率が０．５％以上１０％未満であ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. 前記蛍光層に含有される前記蛍光体粒の含有率が４０質量％以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の波長変換部材。
5. 前記第一接合層を構成する材料が、ＨｆＯ₂であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の波長変換部材。
6. 前記バインダは、材料にＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯのうちの一つ、又は二つを含むことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の波長変換部材。
7. 前記蛍光層には、前記第一接合層が設けられた主面と対向する側の主面上に、主成分が金属酸化物から成る第二接合層が形成されており、
   前記蛍光層に、前記第二接合層を介して接合され、前記蛍光体粒から出射されて前記第二接合層側に向かって進行する光を、前記第一接合層側に向かうように反射させる反射層が設けられていることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の波長変換部材。
8. 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１～７のいずれか一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が入射される光学系とを備えることを特徴とするプロジェクタ。