JPWO2019150747A1 - 蛍光体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

蛍光体は、板状蛍光体と、接合部材と、集光用光学部材とを有する。集光用光学部材は、少なくとも一つの凸面を有し、接合部材により板状蛍光体に固定されている。板状蛍光体の集光用光学部材が接合された面と、集光用光学部材が有する凸面との間で、接合部材はフィレット形状を形成している。フィレット形状の、板状蛍光体の集光用光学部材が接合された面からの高さを高さＸとし、集光用光学部材の、板状蛍光体の集光用光学部材が接合された面からの最大距離を最大距離Ｙとすると、高さＸは最大距離Ｙの２／３以下である。

Description

本開示は、主として蛍光体、特に高出力密度を有するレーザー光を用いて励起させ白色光を得るための蛍光体に関する。

近年、青色レーザーダイオードを発光源とするレーザーにより蛍光体を励起し、通常の発光ダイオード（ＬＥＤ）よりもさらなる高輝度な白色光を得るための開発研究が盛んに行われている。このような白色光は、エネルギーの消費量が少なく、高輝度であることから、自動車用のヘッドライトや、内視鏡用の光源、高輝度プロジェクターへの応用が可能であり、大きな需要が見込まれている。

しかしながら、レーザー光の出力密度を上げていくと蛍光体上の微小な面積に光エネルギーが集中することになるため発熱量が増加する。そのため、発熱量増加による温度消光や蛍光体自体の劣化が問題となる。従って、これらのレーザー励起光源に対応した蛍光体としては、出力密度の高いレーザー光照射下においても、発光量を維持することのできる耐熱性の高い蛍光体が必要とされる。

特許文献１では、ＬＥＤなどでもしばしば使用されるシリコーン樹脂中に蛍光体粉末が分散された蛍光体が開示されている。

また、出力密度の高いレーザー光照射下において、発光量を維持するという要求特性を満たすための蛍光体として、例えば特許文献２では、発光材料と熱伝導材料が三次元的に複合化されたＭＧＣ（Ｍｅｌｔ Ｇｒｏｗｔｈ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）蛍光体が提案されている。ＭＧＣ蛍光体では、励起光である出力密度の高いレーザー光が照射された際に、ＭＧＣ蛍光体を構成する発光材料から蛍光を発する。蛍光を発することによる発熱は発光材料と三次元的に複合化された熱伝導材料により、発光スポット外に伝熱される。結果として、発光材料の温度が上がり過ぎることによる温度消光が抑制されることとなり、出力密度の高いレーザー光照射下においても一定の発光量が維持される。

特開２０１２−０７４２７３号公報 国際公開第２００４／０６５３２４号

本開示の蛍光体は、板状蛍光体と、接合部材と、集光用光学部材とを有する。

集光用光学部材は、少なくとも一つの凸面を有し、接合部材により板状蛍光体に固定されている。

板状蛍光体の集光用光学部材が接合された面と、集光用光学部材が有する凸面との間で、接合部材はフィレット形状を形成している。

フィレット形状の、板状蛍光体の集光用光学部材が接合された面からの高さを高さＸとし、集光用光学部材の、板状蛍光体の集光用光学部材が接合された面からの最大距離を最大距離Ｙとすると、高さＸは最大距離Ｙの２／３以下である。

本開示の蛍光体の製造方法は、
発光材料の原料粉末と熱伝導材料の原料粉末とを混合し、坩堝に投入する工程と、
坩堝を加熱し、発光材料と熱伝導材料とを溶融混合させる工程と、
溶融混合させた発光材料と熱伝導材料を、引き上げまたは引下げて、冷却固化させて、発光材料と熱伝導材料とを３次元的に複合化させたＭｅｌｔ Ｇｒｏｗｔｈ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（ＭＧＣ）蛍光体を形成する工程と、
ＭＧＣ蛍光体を板状に加工し、板状蛍光体を形成する工程と、
透明部材を、板状蛍光体又は集光用光学部材に付着させる工程と、
透明部材を介して集光用光学部材と板状蛍光体とを接触させる工程と、
透明部材を介して集光用光学部材と板状蛍光体とを接合する工程と、
を有する。

さらに、本開示の蛍光体の別の製造方法は、
焼結セラミクス蛍光体を板状に加工し、板状蛍光体を形成する工程と、
透明部材を、板状蛍光体又は集光用光学部材に付着させる工程と、
透明部材を介して集光用光学部材と板状蛍光体とを接触させる工程と、
透明部材を介して集光用光学部材と板状蛍光体とを接合させる工程と、
を有する。

図１は、実施の形態に係る蛍光体の断面構造を示す断面図である。 図２Ａは、実施の形態に係る蛍光体の断面構造を示す断面図である。 図２Ｂは、図２ＡのＭＧＣ蛍光体のミクロ構造を示す拡大断面模式図である。 図３は、実施例１６に係る蛍光体の断面図である。 図４Ａは、実施例１の製造工程の一部を表す断面模式図である。 図４Ｂは、実施例１の製造工程の一部を表す断面模式図である。 図４Ｃは、実施例１の製造工程の一部を表す断面模式図である。 図４Ｄは、実施例１の製造工程の一部を表す断面模式図である。 図４Ｅは、実施例１の製造工程の一部を表す断面模式図である。 図５は、実施の形態に係る蛍光体の光学シミュレーションの結果を示す図である。

特許文献１記載のシリコーン樹脂中に蛍光体粉末が分散された構成では、出力密度の高いレーザー光照射により、蛍光体の分散媒であるシリコーン樹脂が劣化変色し、発光輝度が低下する。また、特許文献２の発光材料と熱伝導材料とが三次元的に複合化されたＭＧＣ蛍光体においては、熱伝導材料は入射レーザー光を蛍光に変換する機能がない。そのため、特に出力密度の高いレーザー光である場合、入射されたレーザーの一部は熱伝導材料を反射しながら導波され、また乱反射してＭＧＣ蛍光体外に射出する。その結果、蛍光がレーザーの入射箇所を起点として、発散することとなり集光効率が低下する。

本開示の蛍光体は、板状蛍光体と、
少なくとも一つの凸面を有する集光用光学部材と、
を備え、
前記集光用光学部材が、前記板状蛍光体に接合部材で固定されており、
前記板状蛍光体の前記集光用光学部材が接合された面と、前記集光用光学部材が有する凸面との間で、前記接合部材がフィレット形状を形成しており、
前記フィレット形状の、前記板状蛍光体の前記集光用光学部材が接合された面からの高さＸが、前記集光用光学部材の、前記板状蛍光体の前記集光用光学部材が接合された面からの最大距離Ｙの２／３以下である。

本開示の蛍光体は、前記集光用光学部材が、少なくとも一つの凸面を有し、前記凸面の少なくとも１点から前記板状蛍光体の、前記集光用光学部材が接合された面に下した仮想的な垂線上の少なくとも一部に、空間が存在してもよい。

本開示の蛍光体は、前記板状蛍光体がＭＧＣ蛍光体であって、前記ＭＧＣ蛍光体は、蛍光物質である発光材料と、金属酸化物である熱伝導材料とが３次元的に複合化されて形成されていてもよい。

本開示の蛍光体は、前記発光材料および前記熱伝導材料の少なくとも一方が金属酸化物であり、前記発光材料においては前記金属酸化物中の金属元素が発光元素に置き換わった構造であってもよい。

本開示の蛍光体は、前記発光材料が、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２を母体として、一部のＹ元素がＣｅ元素に置き換わった発光材料か、またはＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２を母結晶として、母結晶中のＬｕ原子の一部がＣｅ元素に置き換わった発光材料であり、前記熱伝導材料がＡｌ_２Ｏ_３かまたはＺｎＯであってもよい。

本開示の蛍光体は、前記板状蛍光体が、焼結セラミクス蛍光体であってもよい。

本開示の蛍光体は、前記焼結セラミクス蛍光体が、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２を母体として、一部のＹ元素がＣｅ元素に置き換わった発光材料であってもよい。

本開示の蛍光体は、前記集光用光学部材が二酸化ケイ素からなる球状レンズであってもよい。

本開示の蛍光体は、前記接合部材が、熱硬化性透明部材かもしくは熱可塑性透明部材であってもよい。

本開示の蛍光体は、前記接合部材が、シリコーン樹脂であってもよい。

本開示の蛍光体は、前記接合部材の屈折率が、前記集光用光学部材の屈折率以下であってもよい。

本開示の蛍光体の製造方法は、発光材料の原料粉末と熱伝導材料の原料粉末とを混合し、坩堝に投入する工程と、
前記坩堝を加熱し、前記発光材料と前記熱伝導材料とを溶融混合させる工程と、
前記溶融混合させた発光材料と熱伝導材料を、引き上げまたは引下げて、冷却固化させて、前記発光材料と前記熱伝導材料とを３次元的に複合化させたＭＧＣ蛍光体を形成する工程と、
前記ＭＧＣ蛍光体を板状に加工し、板状蛍光体を形成する工程と、
透明部材の液状モノマーか又は熱溶融させた透明部材を、前記板状蛍光体又は集光用光学部材に付着させる工程と、
前記透明部材を介して集光用光学部材と板状蛍光体とを接触させる工程と、
前記透明部材の液状モノマーを硬化させるか、若しくは、熱溶融させた前記透明部材を冷却固化させることにより、冷却固化させた前記透明部材を介して前記集光用光学部材と前記板状蛍光体とを接合する工程と、
を有する。

さらに本開示の別の蛍光体の製造方法は、焼結セラミクス蛍光体を板状に加工し、板状蛍光体を形成する工程と、
透明部材の液状モノマーか又は熱溶融させた透明部材を、前記板状蛍光体又は集光用光学部材に付着させる工程と、
前記透明部材を介して集光用光学部材と前記板状蛍光体とを接触させる工程と、
前記透明部材の液状モノマーを硬化させるか、若しくは、熱溶融させた前記透明部材を冷却固化させることにより、冷却固化させた前記透明部材を介して前記集光用光学部材と前記板状蛍光体とを接合させる工程と、
を有する。

以下、実施の形態に係る蛍光体及びその製造方法について添付図面を用いて説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。

（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る蛍光体１０の断面構造を示す断面図である。本実施の形態に係る蛍光体１０では、板状蛍光体１１と、少なくとも一つの凸面を有する集光用光学部材１３と、を備える。集光用光学部材１３は、例えば、図１に示すように球状レンズである。板状蛍光体１１と集光用光学部材１３は、接合部材１２で接着されて固定されている。尚、接合部材１２は、板状蛍光体１１の面と集光用光学部材１３の面との間で双方の面に接着したいわゆるフィレット形状となっている。ここで「フィレット形状」とは、例えば、集光用光学部材１３の面から板状蛍光体１１の面への裾拡がりの形状を意味している。板状蛍光体１１において、集光用光学部材１３が接合された面の反対面からレーザー光２１が照射された場合に、板状蛍光体１１から、板状蛍光体１１と集光用光学部材１３が接合された面に向って発光、散乱する光が、集光用光学部材１３により集光される。蛍光体１０は、レーザーの入射面と反対面に集光用光学部材１３を接合部材１２で固定している。そのため、光の集光効果を高めることができる。さらに、蛍光体１０によれば、接合部材１２のフィレット形状の高さＸが、集光用光学部材１３の高さＹの２／３以下である。これによって、接合部材１２が集光用光学部材１３の射出する光の一部の光路を覆う面積が限定され、発光強度の低下を抑制できる。

以下に、この蛍光体を構成する部材について説明する。

（板状蛍光体）
板状蛍光体１１としては、特定の波長の光を入射した際に、より長波長の光を発する蛍光体材料を板状に形成したものであればよい。例えば、後述する発光材料１５と熱伝導材料１４とが３次元的に複合化したＭＧＣ（Ｍｅｌｔ Ｇｒｏｗｔｈ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）蛍光体（図２Ｂ参照）を板状に加工したものや、発光材料粉末を焼結することによって製造される焼結セラミクス蛍光体を板状に加工したものを用いることができる。本実施の形態における蛍光体１０では、集光用光学部材１３が接合された面の裏側からレーザー光２１を照射し、板状蛍光体１１で生じた蛍光を集光用光学部材１３によって集光した蛍光２２としている。そこで、集光用光学部材１３が接合された面側における蛍光の集光効果を高めるという観点から、板状蛍光体１１の厚みとしては、５０μｍ以上、２０００μｍ以下とすることが好ましい。厚みが５０μｍより小さいと、板状蛍光体１１の強度が小さくなり、製造工程における破損が生じやすい。２０００μｍよりも厚い場合には、レーザー光２１の入射によって生じた蛍光が、板状蛍光体１１自身により吸収されてしまい、レーザー光２１の入射方向と反対側への蛍光２２の発光強度が低減してしまい好ましくない。本実施の形態の製造工程における取り扱い易さと、発光強度とを両立するという観点から、板状蛍光体１１の厚みとしては、１００μｍ以上、１ｍｍ以下である場合がさらに好ましい。

（発光材料）
発光材料としては、母結晶に金属元素が発光イオンとして賦活した酸化物や窒化物、硫化物などとすることができる。母結晶の組成として、Ｂ、Ｇｄ、Ｏ、Ｓ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｋ、Ｖ、Ｌａ、Ｃｌ、Ｐ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｙ、Ｌｕ、Ｃａ、Ｍｇ等の原子を１種類以上用い、発光中心原子としてＺｎ、Ｈｏ、Ｔｂ、Ｎｄ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｔｍ等が１種類以上賦活され用いられている無機発光材料とすることができる。

なかでも、ＭＧＣ蛍光体を製造する場合、その製造工程において、坩堝内で溶融させ易く、また後述する熱伝導材料として好適に使用できるＡｌ_２Ｏ_３と共晶させ易いという観点から、発光材料を選択することが好ましい。例えば、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２を母結晶とし、母結晶中のＹ原子の一部がＣｅ原子に置き換わった、発光材料（以下、Ｃｅ：ＹＡＧとも記載する）を好適に使用することができる。また、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２を母結晶とし、母結晶中のＬｕ原子の一部がＣｅ原子に置き換わった、発光材料（以下、Ｃｅ：ＬｕＡＧとも記載する）を好適に使用することができる。

また、焼結セラミクス蛍光体を形成する際には、発光効率が高いという観点から、Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体を好適に使用することができる。

（熱伝導材料）
ＭＧＣ蛍光体を製造する場合の熱伝導材料としては、金属酸化物や金属窒化物、金属炭化物などのセラミクス材料を用いることができる。金属酸化物としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｎＯや、希土類酸化物などが上げられる。中でも、透明度が高く、前述のＣｅ：ＹＡＧ蛍光体や、Ｃｅ：ＬｕＡＧ蛍光体と共晶しやすいという観点からはＡｌ_２Ｏ_３が好ましい。一方、屈折率が低く、入射レーザー光が導波されることによる散乱を制御しやすいという観点からはＺｎＯが好ましい。

また、板状蛍光体が前述の焼結セラミクス蛍光体の場合、発光材料の粉末と上記熱伝導材料の粉末を混合し、混合物を焼結することにより、発光材料と熱伝導材料が物理的に混在した、放熱効果の高い焼結セラミクス蛍光体とすることもできる。その際、使用する熱伝導材料としては、上記ＭＧＣ蛍光体における熱伝導材料と同様のものを使用することが可能である。

（接合部材）
接合部材１２としては、透明な熱可塑性樹脂や、モノマーを重合して透明なポリマーを形成する、例えば熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、湿気硬化性樹脂を用いることができる。硬化前または熱溶融状態の液状の接合部材に、板状蛍光体と集光用光学部材が共に接触するように配置してから、硬化または冷却固化により、板状蛍光体と集光用光学部材とが接合される。また、出力密度の高いレーザー光を、板状蛍光体に照射した場合に、板状蛍光体は１００℃以上の高温になることが想定される。従って、接合部材１２としては、軟化点が１００℃より高く、耐熱性の高い透明樹脂を使用することができる。

接合部材１２としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、スチレン・アクリロニトリル共重合体、スチレン・ブタジエン・アクリロニトリル共重合体、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、メタクリルスチレン重合体、酢酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエステル、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、三フッ化ビニリデン、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエーテルサルフォン、シクロオレフィン、トリアセテート、有機無機ハイブリッド樹脂などを単独で使用することが出来、これらを２種類以上混合して使用することもできる。中でも耐熱性が高いという観点からシリコーン樹脂、有機無機ハイブリッド樹脂、ハイブリッドガラスを好適に使用することができる。なかでも連続耐熱温度が２００℃以上であるハイブリッドガラスは特に好適に使用することができる。ハイブリッドガラスは、シロキサン骨格が主骨格となったシリコーン樹脂の一種であり、この観点から高耐熱シリコーン樹脂ということもできる。また、ハイブリッドガラスは、連続耐熱温度が２００℃であり、２００℃で１０００時間放置しても、その透過率の減少は１％以内であるという特徴を有する。

また、板状蛍光体１１から発せられた蛍光が、後述する集光用光学部材１３に入射する際に、接合部材１２と集光用光学部材１３の界面での反射を抑制するという観点から、接合部材１２の屈折率は、後述する集光用光学部材１３の屈折率以下であることが好ましい。すなわち、後述する集光用光学部材１３の波長５５０ｎｍにおける屈折率をｎ１、接合部材の波長５５０ｎｍにおける屈折率をｎ２としたとき、ｎ１≧ｎ２とすることが好ましい。

硬化または冷却固化前の接合部材の供給量としては、限定するものではないが、板状蛍光体１１と集光用光学部材１３との間に形成されるフィレットを基準として規定することが可能である。すなわち、図１に符号Ｘで示した、フィレットの、板状蛍光体１１において集光用光学部材１３が搭載される面からの高さＸと、図１に符号Ｙで示した、集光用光学部材１３の高さＹとの比であるＸ／Ｙについて、０＜Ｘ／Ｙ≦２／３と規定することができる。少なくとも集光用光学部材１３と板状蛍光体１１との間で接合部材１２によるフィレット形状が形成されていればよいため、Ｘ／Ｙの下限は０より大きければよい。Ｘ／Ｙが２／３より大きい場合には、接合部材１２が集光用光学部材１３の射出する光の一部の光路を妨げる可能性が高く、発光強度の低下につながる。

図３に示す場合には、Ｘ／Ｙは、例えば１／１０である。この場合には、集光用光学部材１３の少なくとも一つの凸面が板状蛍光体１１に向いている。図３では、板状蛍光体１１と、集光用光学部材１３の板状蛍光体１１に向いている凸面、との間に空間１７が存在する。つまり、集光用光学部材１３の板状蛍光体１１に向いている凸面上の少なくとも１点から板状蛍光体１１の、集光用光学部材１３が接合された面におろした仮想的な垂線上の少なくとも一部に、空間、つまり、空気が存在する。仮想的な垂線の例を図３に符号Ｈとして示した。この場合には、板状蛍光体１１から発せられた光の一部は前記空間１７を通過し、集光用光学部材１３に入射する。空間１７が例えば空気である場合、その屈折率は１となり、接合部材１２よりも小さいため、空間１７から集光用光学部材１３に入射した発光は、空間１７が存在しない場合よりもさらに効率よく集光され、より高い集光効果が得られる。

図５および表１〜表３は、Ｘ／Ｙの値に対して、集光効率を計算した光学シミュレーションの結果である。光線追跡ソフトウェアを使用し、シミュレーションを行った。集光用光学部材を直径３ｍｍ、屈折率１．５２の球体、接合部材の屈折率を１．４３、接合部材のフィレットが板状蛍光体と成す角を４５度とした。また、板状蛍光体１１に対して、集光用光学部材の反対側から励起用レーザーを照射し、波長５５０ｎｍの蛍光が集光用光学部材の接合面から、直径１．５ｍｍでランバーシアン発光し、接合部材、集光用光学部材を通過するとした。以上の条件において、板状蛍光体における集光用光学部材の接合面からの距離が５ｍｍの箇所で、４ｍｍφの直径内に集光される光の割合を本シミュレーションにおける集光効率とし、シミュレーションを行った。図５に示すように、Ｘ／Ｙが小さくなるにつれて、集光効率は大きくなり、Ｘ／Ｙが１／１０にまで小さくなると、集光効率は５１．４％と５０％を超えることがわかる。以上のシミュレーション結果により、図３に示すように、板状蛍光体１１から発せられた光の一部が空間１７を通過し、集光用光学部材１３に入射することにより、空間１７から集光用光学部材１３に入射した発光は、空間１７が存在しない場合よりもさらに効率よく集光されることとなり、より高い集光効果が得られることがわかる。特にＸ／Ｙが１／１０を下回ると、その集光効率は５０％を超えて、高くなるといえる。

（集光用光学部材）
集光用光学部材１３としては、平凸レンズ、両面凸レンズ、球状レンズなど、少なくとも一か所が凸面を有する透明な部材を選択することができる。さらに、曲面は球状、非球状など限定するものではないが、より集光効果を高めるという観点から、両面凸レンズ、球状レンズなど、集光用光学部材１３から見て、板状蛍光体１１の方向と光の射出方向の両方に凸面を配することのできるものを好適に使用することができる。凸面を有する集光用光学部材１３であれば、非球面レンズも使用可能である。

集光用光学部材１３の材質としては、限定するものではなく、透明部材であればよく、発光部材より発せられた蛍光が透過しやすく、発光の減衰を抑制するという観点から、光の可視波長領域における透過率が８０％以上であればよい。二酸化ケイ素を主原料とする集光用光学部材１３の場合には、具体的には、パイレックス（登録商標）、ＢＫ７、合成石英、無水合成石英、ソーダ石灰ガラス、結晶化ガラスなどを用いることができる。また、集光用光学部材１３として、屈折率の波長分散の小さいガラスと波長分散の大きいガラスとを組み合せることで、色収差を補正したアクロマティックレンズとすることも出来る。また、樹脂材料を主原料とする集光用光学部材１３の場合には、透明樹脂材料を用いることができる。

また、集光用光学部材１３の材質としては、例えば、ポリメタクリル酸メチルなどのアクリル系、スチレン系、ポリオレフィン系やポリカーボネート、シリコーン系やこれらを組み合わせた樹脂や、上記接合部材と同様の樹脂として、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、スチレン・アクリロニトリル共重合体、スチレン・ブタジエン・アクリロニトリル共重合体、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、メタクリルスチレン重合体、酢酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエステル、ＰＥＴ、三フッ化ビニリデン、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエーテルサルフォン、シクロオレフィン、トリアセテート、有機無機ハイブリッド樹脂を使用することができる。上記以外の集光用光学部材１３を構成する透明材料としては、サファイアやＣａＦ_２、ダイヤモンドなどを使用することもできる。

集光用光学部材１３の板状蛍光体１１への接合の向きは限定するものではなく、板状蛍光体１１からの発光を集光することができるのであれば、任意の方向で接合することができる。

集光用光学部材１３の大きさは限定するものではなく、板状蛍光体１１の大きさや形状にもよるが、その直径が板状蛍光体１１に照射されるレーザー光の照射径の１／２以上、レーザー光の照射径の５倍以下が好ましい。レーザー光の照射径の１／２より小さい場合には、照射レーザーの励起によって発生した発光の、集光用光学部材１３への入射量が少なく、十分に集光することができない。また、レーザー光の照射径の５倍より大きい場合には、曲率半径（以下、Ｒと称する）が大きくなり、照射レーザーによる励起によって発生した発光を十分に集光できない。

（蛍光体の製造方法）
図４Ａ〜図４Ｅを用いて、本実施の形態における蛍光体１０の製造方法を説明する。

（１）まず板状蛍光体としてＭＧＣ蛍光体１８を用意する（図４Ａ）。ＭＧＣ蛍光体の製造プロセスとしては以下の方法により製造することができる。

（１−ａ）たとえば坩堝内に発光材料１５および熱伝導材料１４の原料となる粉末をそれぞれ配合する。発光材料１５の原料として、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）粉末と酸化セリウム粉末（ＣｅＯ_２）、熱伝導材料の原料として酸化アルミニウム粉末（Ａｌ_２Ｏ_３）を選ぶことができる。

（１−ｂ）これらの粉末を所定の比率にて混合し、坩堝をこれら原料の融点以上、たとえば約１９００℃に加熱し溶融混合させる。加熱方法としては温度制御し易く、坩堝部分を局所的に加熱することができ、また、引き上げや引下げといった方法で溶融液体を冷却しながら引き出すことが出来るという観点から誘導加熱や抵抗加熱が好適に使用できる。

（１−ｃ）予め底部に孔を開けた坩堝を使用する場合には、底部の孔から染み出した溶融液体に種結晶となる結晶を融着させて、一定速度で引きおろしながら、冷却することでロッド状ＭＧＣ蛍光体が得られる。前述の組成の場合には、発光材料１５がＣｅ：ＹＡＧであり、熱伝導材料１４がＡｌ_２Ｏ_３であり、これらが三次元的に複合化されたＭＧＣ蛍光体を得ることができる。または底部に孔の開いていない坩堝から、溶融液面より所謂引き上げ法による一方向凝固によりロッド状ＭＧＣ蛍光体を製造してもよい。

（１−ｄ）このロッド状ＭＧＣ蛍光体を切断、研磨することで所望の厚みを有する板状のＭＧＣ蛍光体１８を得ることができる。

（２）次に、集光用光学部材１３を、接合部材１２を用いてＭＧＣ蛍光体１８に接合させる。集光用光学部材１３を用意し、接合部材１２が熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂である場合には、それらのモノマー液体１６を集光用光学部材１３に付着させ（図４Ｂ）、塗布したモノマー液体１６が板状のＭＧＣ蛍光体１８にも接触するように、集光用光学部材１３を板状のＭＧＣ蛍光体１８上に設置する（図４Ｃ、図４Ｄ）。

（３）さらに、光照射や加熱などモノマー液体１６の硬化方法に応じた硬化方法でモノマー液体を硬化させ、板状のＭＧＣ蛍光体１８と集光用光学部材１３とを接着、固定させる（図４Ｅ）。これによって本実施の形態に係る蛍光体を得ることができる。

また、接合部材１２が熱可塑性樹脂である場合には、熱可塑性樹脂を軟化点以上の温度に加熱し、液状にしたものを集光用光学部材１３に付着させる。その後、塗布した熱可塑性樹脂が冷却固化する前に、ＭＧＣ蛍光体１８にも接触するように、集光用光学部材１３をＭＧＣ蛍光体１８に設置し、冷却固化による接着で本実施の形態に係る蛍光体１０とすることができる。接合部材１２が硬化性樹脂である場合でも、熱可塑性樹脂である場合でも、集光用光学部材１３の光の射出方向には塗布されないことが好ましい。

さらに、集光用光学部材１３とＭＧＣ蛍光体１８との接合の際には、接合部材をまずＭＧＣ蛍光体１８に液滴として付着させてから、集光用光学部材１３を硬化前または冷却固化前の接合部材上に設置し、硬化または冷却固化させることでも蛍光体とすることができる。

なお、接合部材１２をＭＧＣ蛍光体１８に液滴として付着させる方法では、集光用光学部材１３の光の射出方向に接合部材１２が付着しにくいという観点から生産上好ましい。

（実施例）
以下、実施例および比較例について具体的に説明する。

実施例１は、図２Ａに示すように板状蛍光体１１がＭＧＣ蛍光体１８であり、図２Ｂに示すようにそのミクロ構造として熱伝導材料１４と発光材料１５とが３次元的に複合化されている。さらにＭＧＣ蛍光体における発光材料１５としてＣｅ：ＹＡＧ、熱伝導材料１４としてＡｌ_２Ｏ_３、接合部材１２としてジメチルシリコーンを主成分とするシリコーン樹脂、集光用光学部材１３として球状レンズを使用した例である。

（１）まず、板状蛍光体１１を用意する。以下にＭＧＣ蛍光体からなる板状蛍光体の製造方法について説明する。

（１−ａ）イリジウム製の坩堝内に所定の量の、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の粉末を所定量添加する。坩堝の底部には、５ｍｍ角、高さ２ｍｍの突起が設けられており、さらに突起の５ｍｍ角の底面中央には、直系１ｍｍφの貫通孔が設けられている。坩堝の内径は２０ｍｍ、内壁高さは３０ｍｍである。

（１−ｂ）次に、坩堝を円筒形の断熱材容器内に設置し、断熱材を円筒形の石英管内に設置する。さらに石英管を誘導加熱用コイルの内側に設置する。石英管の上下にそれぞれ窒素ガスの出口と入り口が設けられた蓋を設置する。

（１−ｃ）石英管内をフローしながら窒素で充填し酸化抑制雰囲気とする。この状態で前記コイルに交流電流を通電し、石英管内部を誘導加熱する。断熱材には覗き穴が設けられており、コイルの隙間とこの覗き穴および石英管を通して、放射温度計を使用するなど公知の方法で坩堝側面の温度を測定することが可能である。

（１−ｄ）坩堝側面の温度が約１９００℃に加熱され、前記坩堝底部の孔から溶融液体が染み出したことを確認した後、この染み出し液体にＡｌ_２Ｏ_３の５ｍｍ角の結晶を接触させ、表面張力を利用し、例えば３ｍｍ／秒の一定速度で引きおろす。界面張力により、坩堝内部の溶融液体が順次、孔から引き出される。引き出された溶融液体は坩堝底部にぬれ広がり、坩堝底部の突起の断面形状を維持しつつ引きおろされ、引きおろされながら坩堝底部の突起から距離が離れるに伴い、冷却により固化し、ロッド状のＭＧＣ蛍光体を得ることができる。

（１−ｅ）ロッドの引下げ方向と垂直な方向の断面形状は、上述の坩堝底面の突起断面と、同サイズ、同形状となり、５ｍｍ角である。得られたロッド状のＭＧＣ蛍光体は、切断、研磨などの加工により所望の厚みを有する板状のＭＧＣ蛍光体とすることが可能である。本実施例においては厚みを１００μｍとした。つまり、本実施例における板状蛍光体は、サイズが５ｍｍ角、厚み１００μｍである板状のＭＧＣ蛍光体であり、発光材料はＣｅ：ＹＡＧ、熱伝導材料はＡｌ_２Ｏ_３である。

（２）次に、集光用光学部材および接合部材を用意し、接合部材を使用して集光用光学部材を前述の板状蛍光体に接合する。本実施例において集光用光学部材は球状レンズであり、その素材はＢＫ７であり、直径が３ｍｍである。接合部材としては、熱硬化性のジメチルシリコーン骨格のシリコーン樹脂を使用した。

（２−ａ）図４Ａに示すように、まず板状蛍光体１１の５ｍｍ角の平面が水平になるように静置し、その略中心箇所に熱硬化性シリコーン樹脂のモノマー液体１６を直径２ｍｍの液滴として付着させる（図４Ｂ）。

（２−ｂ）次に、図４Ｃに示すように、このモノマー液体１６の液滴の略中心箇所に集光用光学部材である集光用光学部材１３（球状レンズ）を図中の矢印で示すように乗せる。

（２−ｃ）図４Ｄに示すように、集光用光学部材１３により熱硬化性シリコーン樹脂のモノマー液体１６は押しのけられる。また、モノマー液体１６は、その表面張力により集光用光学部材である集光用光学部材１３の底部と板状蛍光体１１とに同時にぬれ広がったフィレット状の形態となる。

（３）さらに、使用した熱硬化性のシリコーン樹脂の硬化温度である１５０℃で４時間加熱することにより、シリコーン樹脂を硬化させることで、板状蛍光体と球状レンズを接合、固定させ、実施例１における蛍光体１０とした（図４Ｅ）。尚、上記のプロセス上、板状蛍光体と球状レンズとの間には、図４Ｅに示すように接合部材であるシリコーン樹脂、つまり接合部材１２のフィレットが形成される。本実施例では、フィレットの高さＸは、球状レンズの高さＹの１／３である。またシリコーン樹脂の波長５５０ｎｍにおける屈折率は１．４３ ＢＫ７の波長５５０ｎｍにおける屈折率は１．５２である。

実施例２は、集光用光学部材である球状レンズの直径が１ｍｍである点を除き、実施例１と同様である。

実施例３は、集光用光学部材である球状レンズの直径が５ｍｍである点を除き、実施例１と同様である。

実施例４は、フィレットの高さが集光用光学部材の高さの２／３である点を除いて実施例１と同様である。

実施例５は、集光用光学部材の材質が合成石英である点を除いて実施例１と同様である。尚、本実施形態における集光用光学部材を形成する合成石英の屈折率は１．４６である。

実施例６は、集光用光学部材の材質がポリメタクリル酸メチルである点を除いて実施例１と同様である。尚、本実施形態における集光用光学部材を形成するポリメタクリル酸メチルの屈折率は１．６７である。

実施例７は、集光用光学部材の材質がポリメタクリル酸メチルであり、接合部材が透明エポキシ樹脂である点を除いて実施例１と同様である。尚、本実施形態における集光用光学部材を形成するポリメタクリル酸メチルの屈折率は１．６７であり、接合部材を形成するエポキシ樹脂の屈折率は１．５７５である。

実施例８は、板状蛍光体がＣｅ：ＹＡＧの焼結体である点を除いて実施例１と同様である。本実施例において板状蛍光体は次の様に製造した。酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化セリウムをそれぞれ規定量秤量し、イソプロパノールを加えて混合液体とした。この混合液体をビーズミルで撹拌し混合しスラリーとした。次に、このスラリーを泥しょう鋳込み法（スリップキャスティング）により５ｍｍ角、厚み１００μｍに成形した。この成形物を１２００℃で２時間焼成することにより、焼結させ、Ｃｅ：ＹＡＧの焼結体である板状蛍光体を製造した。

実施例９は、板状蛍光体がＭＧＣ蛍光体であり、ＭＧＣ蛍光体中の発光材料がＣｅ：ＬｕＡＧである点を除いて実施例１と同様である。

実施例１０は、板状蛍光体がＭＧＣ蛍光体であり、その熱伝導材料が酸化亜鉛である点を除き、実施例１と同様である。

実施例１１は、集光用光学部材が両面凸レンズである点を除いて、実施例１と同様である。尚、本実施例における両面凸レンズは、両面の凸面のＲが５．８８ｍｍであり、直径が３ｍｍ、中心厚み１．８ｍｍである。

実施例１２は、接合部材が熱可塑性樹脂であるポリエチレン樹脂であり、その屈折率が１．４９である点を除いて実施例１と同様である。製造の際にはポリエチレン樹脂を１５０℃に加熱し、熱溶融させた上で板状蛍光体に液滴形状で塗布し、集光用光学部材である直径３ｍｍの球状レンズを接着させ、冷却することで本実施形態の蛍光体とした。

実施例１３は、板状蛍光体の厚みが５０μｍである点を除き、実施例１と同様である。

実施例１４は、板状蛍光体の厚みが２０００μｍである点を除き、実施例１と同様である。

実施例１５は、接合部材が、連続耐熱温度が２００℃のさらに耐熱性の高い高耐熱シリコーン樹脂である点を除いて、実施例１と同様である。

実施例１６は、図３に示すように、フィレットの高さが集光用光学部材の高さの１／１０である点を除いて実施例１と同様である。なお、後述する評価においては、図３の空間１７には空気がみたされた状態で行った。

実施例１７は、集光用光学部材が非球面両面凸レンズである点を除いて、実施例１と同様である。使用した非球面両面凸レンズは、球面両面凸レンズと比較して、収差が少なく外形３ｍｍの、焦点距離６ｍｍのものである。

比較例１は、集光用光学部材と接合部材とを組み合わせなかった点を除いて実施例１と同様である。

比較例２は、接合部材の連続耐熱温度が７９℃と低いポリ塩化ビニルを用いた点を除いて実施例４と同様である。

比較例３は、フィレットの高さが集光用光学部材の高さの３／４である点を除いて、実施例１と同様である。

以上の実施例および比較例について励起レーザーを、板状蛍光体１１において、集光用光学部材が接合している面と反対の面に集光させた場合の、集光効果、発光強度、耐熱性について評価した。レーザー光の波長は４５０ｎｍの青色レーザーであり、レンズで直径１ｍｍに集光し、集光用光学部材を接合している面と反対の面において、集光用光学部材が接合された箇所に５０Ｗ／ｍｍ^２のエネルギー密度が照射されるよう調整した。

それぞれの評価項目の判定基準を以下に記す。

（集光効果）
実施例、比較例における蛍光体に対し、青色レーザーを入射する面の反対面、すなわち集光用光学部材が接合された面からの発光について相対比較を行った。板状蛍光体において光学用集光部材が接合された面から垂直方向に２０ｍｍ離れた箇所に白紙を設置した。白紙に照射される発光の直径（以下、発光径と称する）について、比較例１の発光径を１とした場合の相対値（以下、発光径相対値と記載する）を測定し、以下に記す判定を行った。

＜判定基準＞
集光効果が特に優れた範囲として発光径相対値が−０．３以下を◎とした。集光効果が優れた範囲として発光径相対値が−０．３より大きく、−０．１以下を〇とした。集光効果が不十分な範囲として発光径相対値が−０．１より大きいものを△とした。

（発光強度）
実施例、比較例における蛍光体の発光強度を測定するために板状蛍光体の集光用光学部材が設けられた側からの蛍光成分の光出力を測定した。すなわちレーザーは集光用光学部材の反対側から入射し、集光用光学部材からの発光をレンズでコリメートし、さらにレンズで光出力検出器に集光した。照射するレーザー光の出力密度を１．５Ｗ／ｍｍ^２に調整し、光出力検出器の検出上限を超えない範囲で蛍光成分の光出力を測定した。光出力検出器には、ＭＧＣ蛍光体を抜けてきた青色レーザーが入射しないよう、蛍光のみの出力を測定するように光出力検出器の手前に青色光カットフィルターを設置し、蛍光成分の光のみ測定できるようにした。

＜判定基準＞
光学製品への適用に特に適合している範囲として蛍光出力が４０ｍＷ以上を◎とした。光学製品への適用に適合している範囲として蛍光出力が４０ｍＷより小さく、３０ｍＷ以上を○とした。光学製品への適用に適合しない範囲として蛍光出力が３０ｍＷ未満を△とした。

（耐熱性）
励起レーザーによる昇温に対する耐熱性を評価するという観点から、それぞれの実施例および比較例について、１００℃の乾燥機内に１０００時間放置し、放置前の発光強度Ｉｂに対する放置後の発光強度Ｉａの比率Ｉａ／Ｉｂを評価した。耐熱性に劣るものは主に、接合材料の変色により、板状蛍光体から発せられた発光が吸収され、発光強度が低下する。

＜判定基準＞
耐熱性が特に優れた範囲として、Ｉａ／Ｉｂが０．９３以上のものを◎とした。耐熱性が優れた範囲として、Ｉａ／Ｉｂが０．９３より小さく、０．９０以上のものを〇とした。耐熱性が劣る範囲として、Ｉａ／Ｉｂが０．９０より小さいものを△とした。

（総合判定）
各実施例および比較例において、集光効果、発光強度、耐熱性ともに◎のものを◎、少なくとも△が１個以上あるものを△、それ以外のものを○とした。

上記表１、表２、表３に示した結果から次のことが分かる。

すべての実施例では、板状蛍光体に集光用光学部材が接合されており、集光用光学部材の屈折率が接合部材の屈折率よりも高く、いずれも集光効果が確認される。

実施例１、実施例２および実施例３より、集光した励起レーザー光を直径１ｍｍに集光した際に集光用光学部材としてその直径が１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲で集光効果が認められる。

実施例１および実施例４より、接合部材の高さの範囲として、集光用光学部材の２／３以下で集光効果が認められる。

実施例１、実施例５および実施例６より、集光用光学部材として材質は限定されず、二酸化ケイ素、樹脂材料であってもよいことがわかる。
実施例１、実施例７および実施例１２より、接合部材として材質は限定されず、シリコーン樹脂の他、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂であってもよいことがわかる。

実施例１および実施例８より、板状蛍光体としては、ＭＧＣ蛍光体であっても、焼結体であってもよいことがわかる。

実施例１、実施例９および実施例１０より、板状蛍光体がＭＧＣ蛍光体である場合、発光材料はＣｅ：ＹＡＧであっても、Ｃｅ：ＬｕＡＧであってもよく、また熱伝導材料としてサファイアであっても、酸化亜鉛であってもよいことがわかる。

実施例１、実施例１１および実施例１７より、集光用光学部材として、球状レンズ、両面凸レンズ、非球面レンズであってよいことがわかる。

実施例１、実施例１３および実施例１４より、板状蛍光体の厚みとして、５０μｍ以上、２０００μｍ以下でよいことがわかる。

実施例１５より、接合部材として連続耐熱温度が高い場合、特に耐熱性に優れることがわかる。

実施例１６より、板状蛍光体と集光用光学部材の凸面の間に空間が存在する場合、より高い集光効果が得られることがわかる。

比較例１より、板状蛍光体のみでは、集光効果が得られないことがわかる。

比較例２より、連続耐熱温度の低い樹脂を接合部材として使用した場合、耐熱性に劣ることがわかる。

比較例３より、接合部材のフィレットの高さが、集光用光学部材の高さの２／３を超えると、発光強度が低下することがわかる。

なお、本開示においては、前述した様々な実施例のうちの任意の実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施例が有する効果を奏することができる。

本開示に係る蛍光体によれば、接合部材がフィレット形状を形成している。さらに、上記フィレット形状の高さＸが、集光用光学部材の高さＹの２／３以下である。これによって、板状蛍光体への出力密度の高いレーザー光の照射の際、板状蛍光体からの光の散乱に起因する発光径の広がりは、接合された集光用光学部材で集光されて抑制される。これにより、集光効果の高い蛍光体を得ることができる。さらに、集光用光学部材と板状蛍光体とを接合している接合部材の耐熱性により、集光用光学部材と板状蛍光体の接合部分の熱による劣化も抑制され、長寿命に高い発光強度と高い集光効果が維持された蛍光体とすることができる。

以上説明したように、本開示に係る蛍光体は、出力密度の高いレーザー光の照射下において蛍光の集光効果が高く、発光強度の高い蛍光体とすることができ、また耐熱性に優れているため産業上の利用可能性は高い。

１０、１０ａ 蛍光体
１１ 板状蛍光体
１２ 接合部材
１３ 集光用光学部材
１４ 熱伝導材料
１５ 発光材料
１６ モノマー液体
１７ 空間（集光用光学部材の凸面の一部と板状蛍光体の間に存在する空間）
１８ ＭＧＣ蛍光体
２１ レーザー光
２２ 蛍光

Claims (17)

1. 板状蛍光体と、
   接合部材と、
   少なくとも一つの凸面を有し、前記接合部材により前記板状蛍光体に固定された集光用光学部材と、
   を備え、
   前記板状蛍光体の前記集光用光学部材が接合された面と、前記集光用光学部材が有する前記凸面との間で、前記接合部材はフィレット形状を形成しており、
   前記フィレット形状の、前記板状蛍光体の前記集光用光学部材が接合された面からの高さを高さＸとし、前記集光用光学部材の、前記板状蛍光体の前記集光用光学部材が接合された面からの最大距離を最大距離Ｙとすると、高さＸは最大距離Ｙの２／３以下である、
   蛍光体。
2. 前記凸面の少なくとも１点から前記板状蛍光体の、前記集光用光学部材が接合された面に下した仮想的な垂線上の少なくとも一部に、空間が存在する、
   請求項１に記載の蛍光体。
3. 前記板状蛍光体は、Ｍｅｌｔ Ｇｒｏｗｔｈ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（ＭＧＣ）蛍光体であり、前記ＭＧＣ蛍光体は、蛍光物質である発光材料と、金属酸化物である熱伝導材料とが３次元的に複合化されて形成されている、
   請求項１または２に記載の蛍光体。
4. 前記発光材料および前記熱伝導材料の少なくとも一方が金属酸化物であり、前記発光材料においては前記金属酸化物中の金属元素が発光元素に置き換わった構造である、
   請求項３に記載の蛍光体。
5. 前記発光材料が、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２を母体として、一部のＹ元素がＣｅ元素に置き換わった発光材料か、またはＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２を母結晶として、母結晶中のＬｕ原子の一部がＣｅ元素に置き換わった発光材料であり、前記熱伝導材料がＡｌ_２Ｏ_３かまたはＺｎＯである、
   請求項３又は４に記載の蛍光体。
6. 前記板状蛍光体が、焼結セラミクス蛍光体である、
   請求項１または２に記載の蛍光体。
7. 前記焼結セラミクス蛍光体が、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２を母体として、一部のＹ元素がＣｅ元素に置き換わった発光材料である、
   請求項６に記載の蛍光体。
8. 前記集光用光学部材が二酸化ケイ素からなる球状レンズである、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の蛍光体。
9. 前記接合部材が、熱硬化性透明部材かもしくは熱可塑性透明部材である、請求項１から８のいずれか一項に記載の蛍光体。
10. 前記接合部材が、シリコーン樹脂である、
    請求項９に記載の蛍光体。
11. 前記接合部材の屈折率が、前記集光用光学部材の屈折率以下である、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の蛍光体。
12. 発光材料の原料粉末と熱伝導材料の原料粉末とを混合し、坩堝に投入する工程と、
    前記坩堝を加熱し、前記発光材料と前記熱伝導材料とを溶融混合させる工程と、
    前記溶融混合させた発光材料と熱伝導材料を、引き上げまたは引下げて、冷却固化させて、前記発光材料と前記熱伝導材料とを３次元的に複合化させたＭｅｌｔ Ｇｒｏｗｔｈ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（ＭＧＣ）蛍光体を形成する工程と、
    前記ＭＧＣ蛍光体を板状に加工し、板状蛍光体を形成する工程と、
    透明部材を、前記板状蛍光体又は集光用光学部材に付着させる工程と、
    前記透明部材を介して集光用光学部材と板状蛍光体とを接触させる工程と、
    前記透明部材を介して前記集光用光学部材と前記板状蛍光体とを接合する工程と、
    を備える、蛍光体の製造方法。
13. 前記透明部材は、液状モノマーを有し、前記液状モノマーを硬化させることにより、前記集光用光学部材と前記板状蛍光体とを接合する
    請求項１２記載の蛍光体の製造方法。
14. 前記透明部材を熱溶融させることにより、前記板状蛍光体又は集光用光学部材に付着させ、
    前記透明部材を冷却固化させることにより、前記集光用光学部材と前記板状蛍光体とを接合する
    請求項１２記載の蛍光体の製造方法。
15. 焼結セラミクス蛍光体を板状に加工し、板状蛍光体を形成する工程と、
    透明部材を、前記板状蛍光体又は集光用光学部材に付着させる工程と、
    前記透明部材を介して集光用光学部材と前記板状蛍光体とを接触させる工程と、
    前記透明部材を介して前記集光用光学部材と前記板状蛍光体とを接合させる工程と、
    を備える、蛍光体の製造方法。
16. 前記透明部材は、液状モノマーを有し、前記液状モノマーを硬化させることにより、前記集光用光学部材と前記板状蛍光体とを接合する
    請求項１５記載の蛍光体の製造方法。
17. 前記透明部材を熱溶融させることにより、前記板状蛍光体又は集光用光学部材に付着させ、
    前記透明部材を冷却固化させることにより、前記集光用光学部材と前記板状蛍光体とを接合する
    請求項１５記載の蛍光体の製造方法。