JP2023142167A - 蛍光体および光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度を向上させることができる蛍光体を提供することを目的とする。【解決手段】透明相と、不透明相と、を含み、透明相は賦活元素を含む単結晶から成り、透明相は連続しており、不透明相は透明相に囲まれている蛍光体。【選択図】図２

Description

本発明は蛍光体および光源装置に関する。

蛍光体はＬＥＤやレーザーを用いた照明またはプロジェクター用色調変換材料などとして幅広く用いられている。

たとえば、単結晶蛍光体または特許文献１に記載の透明セラミックス蛍光体は構造が緻密であることから、粉末蛍光体や不透明セラミックス蛍光体などの不透明蛍光体よりも放熱性および耐熱性が優れている。このため、レーザーなどの高エネルギー密度の励起光源を使用した際も安定した光量を得ることができる。

一方、蛍光体内部における蛍光の全反射により蛍光が蛍光体の内部に閉じ込められる「内面導波」といった問題は、不透明蛍光体よりも単結晶蛍光体または透明セラミックス蛍光体などの透明蛍光体に顕著に現れる。内面導波が発生すると蛍光の取り出し効率が低下するため、輝度が低下する傾向となる。

特許第６３７１２０１号

本発明は、輝度を向上させることができる蛍光体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る蛍光体は、
透明相と、不透明相と、を含み、
前記透明相は賦活元素を含む単結晶から成り、
前記透明相は連続しており、前記不透明相は前記透明相に囲まれている。

本発明者は、蛍光体が上記の構成であることにより、蛍光体から出射される光の輝度を向上させることができることを見出した。本発明では、蛍光体が透明相と、不透明相と、を含む。まず、本発明に係る透明相は波長変換に大きく寄与する。また、本発明に係る不透明相は励起光および波長変換された光を拡散させることができる。言い換えると、不透明相は、蛍光体の内部に入り込んだ光の散乱効率を向上させることができる。このため、蛍光体の内部での内面導波を抑制することができる。内面導波の抑制により、励起光および波長変換された光が蛍光体から外部へ漏れ出すことを低減することができ、波長変換効率を向上させることができる。また、仮に励起光の屈折角が９０°付近になっても、励起光は不透明相により拡散されることができるため、散乱されたり、または、蛍光に変換（波長変換）されることができる。さらに、透明相は、蛍光体に連続して存在することから、熱伝導率の高い透明相による放熱パスを形成でき、放熱性が高いため、耐温度消光特性が高い。

このように、本発明に係る蛍光体によれば、波長変換効率が高く、なおかつ耐温度消光特性が高いことから、輝度を向上させることができる。

また、本発明に係る蛍光体によれば、内面導波を抑制でき、蛍光体から出射される光の発光スポット径を狭小化できる。また、装置の小型化も可能である。このため、本発明に係る蛍光体は、プロジェクター光源やスポットライト、投光器、ヘッドライト用光源などの用途に好ましく用いることができる。

なお、従来の蛍光体では、内面導波により、発光スポット径の外側にて蛍光体表面から、蛍光成分のみが漏れ出ることにより、投影光（白色）の辺縁部が黄色くなる色むらが生じるイエローリングという現象が発生するという問題もある。しかし、本発明に係る蛍光体では、内面導波を抑制することができ、なおかつ、照射された励起光の一部および波長変換された光（蛍光）の一部は不透明相で効率よく散乱される。この散乱された励起光および蛍光が効率よく混合されることで、イエローリングなどが生じにくくなり、色むらが少ない白色光を得ることができる。

さらに、不透明相により、励起光入射部（光取出し部）から蛍光体の外側方向（蛍光体の内部と反対方向）に向かう励起光の反射を低減できることから、安全性の高い照明にすることができる。

好ましくは、前記不透明相は前記単結晶よりも前記賦活元素の濃度が高い。

不透明相が賦活元素を含むことにより、不透明相も波長変換に寄与することができる。

好ましくは、前記不透明相は、前記透明相を構成する単結晶に最大限に含まれることができる前記賦活元素の含有量よりも高い含有量で前記賦活元素を含んでいる。

前記透明相はＣｅ：ＹＡＧ単結晶であってもよい。

好ましくは、前記不透明相は前記透明相よりもＣｅの濃度が高い。

好ましくは、前記不透明相は、｛Ｃｅ_xＹ_(1-ｘ₎｝αＡｌβＯγで表される組成を有し、
前記ｘは、０．０３０＜ｘ≦０．１２０の関係を満たし、
前記αは、２．４≦α≦３．０の関係を満たし、
前記βは、４．４≦β≦５．０の関係を満たし，
前記γは、１１．４≦γ≦１２．０の関係を満たす。

このように構成することで、上述した不透明相に関連する機能がさらに向上する。特に、ｘが上記の範囲に含まれる場合は、ｘが上記の範囲を下回る場合に比べて、上述した機能を有する不透明相が得られ易い傾向となる。一方、ｘが上記の範囲に含まれる場合は、ｘが上記の範囲を上回る場合に比べて、不透明相の異常成長を抑制することができることから、透明相に囲まれている不透明相が得られ易い傾向となる。

好ましくは、前記透明相は、｛Ｃｅ_zＹ_(1-z)｝δＡｌεＯζで表される組成を有し、
前記ｚは０．００７≦ｚ≦０．０３０の関係を満たし、
前記δは２．７≦δ≦３．３の関係を満たし、
前記εは４．７≦ε≦５．３の関係を満たし、
前記ζは１１．７≦ζ≦１２．３の関係を満たす。

上述した透明相のＣｅ濃度は比較的高いため、波長変換効率をより向上させることができる。また、ｚが上記の範囲に含まれる場合は、ｚが上記の範囲を下回る場合に比べて、透明相に囲まれている不透明相が得られ易い傾向となる。一方、ｚが上記の範囲に含まれる場合は、ｚが上記の範囲を上回る場合に比べて、不透明相の異常成長を抑制することができることから、透明相に囲まれている不透明相が得られ易い傾向となる。

好ましくは、所定範囲の表面または断面における１ｍｍ²当たりの前記不透明相の箇所数は２箇所以上６０箇所以下である。

このように構成することで、上述した透明相および不透明相に関連する機能をバランスよく向上させることができ、蛍光体の輝度をより向上させることができる。

好ましくは、所定範囲の表面または断面における前記不透明相の１箇所における面積は５０μｍ²以上１０００μｍ²以下である。

このように構成することで、上述した透明相および不透明相に関連する機能をバランスよく向上させることができ、蛍光体の輝度をより向上させることができる。

所定範囲の表面または断面における前記透明相の面積をＳ１とし、前記不透明相の面積をＳ２としたとき、
好ましくは、前記Ｓ１および前記Ｓ２が５０（％）≦１００×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）（％）≦９０（％）の関係を満たす。

このように構成することで、上述した透明相および不透明相に関連する機能をバランスよく向上させることができ、蛍光体の輝度をより向上させることができる。

本発明に係る光源装置は、上記の蛍光体と、青色発光素子と、を有し、
前記青色発光素子は、青色発光ダイオードおよび青色半導体レーザーから選ばれる少なくともいずれか一方である。

図１は本発明の一実施形態に係る光源装置の概略断面図である。 図２は図１に示すII部の拡大図である。 図３は本発明の一実施形態に係る蛍光体を製造するための単結晶製造装置の概略断面図である。 図４は従来例を示す模式図である。

＜光源装置＞
図１に示すように、本実施形態に係る光源装置２は、蛍光体４と、青色発光素子６と、を有する。

＜青色発光素子＞
図1に示すように青色発光素子６は、蛍光体４の蛍光成分を励起するための励起光である青色光ＬＢを発する。青色発光素子６の青色光ＬＢは通常ピーク波長が４２５ｎｍ～５００ｎｍである。蛍光体４の励起光入射部４０から内部に入射した青色光ＬＢの一部は蛍光体４に吸収されて波長変換され、光取出し部４１から蛍光（波長変換された光）を発する。

光取出し部４１から蛍光体４の外側に向かって出射された蛍光と青色光ＬＢとが混合して白色光ＬＷを発する。

青色発光素子６としては、蛍光と混合することにより白色光ＬＷを発し、なおかつ蛍光体４により蛍光に波長変換されることができる青色光ＬＢを発することができれば特に限定されないが、たとえば青色発光ダイオード（青色ＬＥＤ）または青色半導体レーザー（青色ＬＤ）が挙げられる。

青色光ＬＢのスポット径（光束の断面の径）は特に限定されず、たとえば０．０３ｍｍ～０．４ｍｍ程度である。

青色光ＬＢの光束の断面形状は特に限定されず、円形、楕円形または多角形であってもよい。

＜蛍光体＞
図１に示すように、蛍光体４は青色発光素子６側の入射面４２に励起光入射部４０を有する。

蛍光体４の反射面４６とは蛍光体４の青色発光素子６側とは反対側の面であり、入射面４２と互いに向き合う面である。すなわち、入射面４２と反射面４６とが、実質的に平行である。なお、「実質的に平行」とは、多少平行ではない部分を有していてもよいという趣旨である。

本実施形態に係る光源装置２は反射型であるため、蛍光体４は励起光入射部４０と光取出し部４１とを蛍光体４の同一面（入射面４２）に有する。すなわち、入射面４２は出射面でもあり、励起光入射部４０は光取出し部４１でもある。反射型の光源装置２では反射面４６側を放熱に有効利用できるため高輝度を得易いというメリットがある。

励起光入射部４０に対する青色光ＬＢの角度θは特に限定されないが、たとえば２０°～４５°であり、好ましくは３０°～３５°である。なお、角度θとは入射面４２に平行な角度を０°としたときの角度である。

本実施形態に係る蛍光体４の形状は特に限定されず、たとえば平板状、円板状または直方体の柱状などである。

蛍光体４のサイズは特に限定されず、たとえば幅方向（Ｘ０）は０．１ｍｍ～１０ｍｍ、奥行方法は０．１ｍｍ～１０ｍｍ、厚み方向（Ｙ０）は０．０５ｍｍ～１ｍｍである。

本実施形態では、蛍光体４が透明相４４ａと、不透明相４４ｂと、を含む。ここで、透明相４４ａとは透明な相であり、不透明相４４ｂとは透明相４４ａよりも不透明な相である。

具体的には、透明相４４ａはＲＧＢ－８ｂｉｔ表記で、Ｒが１９０～２１４の範囲内に含まれ、Ｇが１９５～２１４の範囲内に含まれ、Ｂが９０～１１４の範囲内に含まれる色調で表示される相である。

また、不透明相４４ｂはＲＧＢ－８ｂｉｔ表記で、Ｒが２１５～２２５の範囲内に含まれ、Ｇが２１５～２２５の範囲内に含まれ、Ｂが１１５～１３０範囲内に含まれるの色調で表示される相である。

なお、本実施形態に係る蛍光体４は、ＲＧＢ－８ｂｉｔ表記で、Ｒが１９０未満、Ｇが１９５未満またはＢが９０未満の相を有していてもよい。

また、本実施形態に係る蛍光体４は、ＲＧＢ－８ｂｉｔ表記で、Ｒが２２５超、Ｇが２２５超またはＢが１３０超の相を有していてもよい。

透明相４４ａは賦活元素を含む単結晶であり、Ｃｅ：ＹＡＧ単結晶であることが好ましい。透明相４４ａは｛Ｃｅ_zＹ_(1-z)｝δＡｌεＯζで表される組成を有することが好ましい。

ｚは０．００７≦ｚ≦０．０３０の関係を満たすことが好ましく、０．０１０≦ｚ≦０．０２０の関係を満たすことがより好ましい。

δは２．７≦δ≦３．３の関係を満たすことが好ましく、εは４．７≦ε≦５．３の関係を満たすことが好ましく、ζは１１．７≦ζ≦１２．３の関係を満たすことが好ましい。

不透明相４４ｂは透明相４４ａよりも賦活元素の濃度が高いことが好ましい。より好ましくは、不透明相４４ｂは、透明相４４ａを構成する単結晶に最大限に含まれることができる賦活元素の含有量よりも高い含有量で賦活元素を含んでいる。不透明相４４ｂでは、賦活元素がＣｅである場合にはＣｅの濃度が高いことが好ましい。すなわち、不透明相４４ｂは高濃度Ｃｅ相であることが好ましい。

不透明相４４ｂは、｛Ｃｅ_xＹ_(1-ｘ₎｝αＡｌβＯγで表される組成を有することが好ましい。

ｘは、０．０３０＜ｘ≦０．１２０の関係を満たすことが好ましく、０．０５０≦ｘ≦０．１２０の関係を満たすことがより好ましい。

αは、２．４≦α≦３．０の関係を満たすことが好ましく、βは、４．４≦β≦５．０の関係を満たすことが好ましく、γは、１１．４≦γ≦１２．０の関係を満たすことが好ましい。

ｘとｚの差（ｘ－ｚ）は０．００５以上であることが好ましく、０．０２０≦（ｘ－ｚ）≦０．１００の関係を満たすことがより好ましい。

なお、蛍光体４の各成分濃度は、レーザアブレーションＩＣＰ質量分析（ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ）、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）、エネルギー分散型分光器（ＥＤＸ）等で測定できる。

図２は図１のII部の拡大図である。図２に示すように、本実施形態に係る蛍光体４では、母相である透明相４４ａ中に不透明相４４ｂが異相として存在している。透明相４４ａは連続してつながっており、不定形の不透明相４４ｂは透明相４４ａに島状に囲まれている。不透明相４４ｂは、密集しておらず、点在している。

なお、図２の透明相４４ａ１は不透明相に囲まれているように見えるが、図２の奥行方向において透明相４４ａ２と連続している。

なお、所定範囲の表面または断面とは、１００μｍ～２ｍｍ×１００μｍ～２ｍｍの範囲であり、具体的には透明相４４ａが不透明相４４ｂを囲んでいる様子を観察できる範囲である。所定範囲が小さ過ぎると、透明相４４ａしか観察できないため不透明相４４ｂが観察できない場合や、その反対に不透明相４４ｂしか観察できないため透明相４４ａが観察できない場合が発生するおそれがある。

不透明相４４ｂの全体が透明相４４ａに囲まれていることが好ましいが、蛍光体４の外面に存在する不透明相４４ｂは部分的に透明相４４ａに囲まれていない部分があってもよい。

所定範囲の表面または断面における透明相４４ａの面積をＳ１とし、不透明相４４ｂの面積をＳ２としたとき、Ｓ１およびＳ２が５０（％）≦１００×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）（％）≦９０（％）の関係を満たすことが好ましく、６０（％）≦１００×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）（％）≦８０（％）の関係を満たすことがより好ましい。

所定範囲の表面または断面における不透明相４４ｂの１箇所における面積は５０μｍ²以上１０００μｍ²以下であることが好ましく、２００μｍ²以上８００μｍ²以下であることがより好ましい。

所定範囲の表面または断面における１ｍｍ²当たりの不透明相４４ｂの箇所数は２箇所以上６０箇所以下であることが好ましく、５０箇所以上５５箇所以下であることがより好ましい。

＜蛍光体の製造方法＞
本実施形態に係る蛍光体４の製造方法は特に限定されないが、たとえばチョクラルスキー法、ブリッジマン法、マイクロ引き下げ法（μ－ＰＤ法）またはＥＦＧ法などが挙げられる。マイクロ引き下げ法により生成されることにより、従来のチョクラルスキー法などにより生成される蛍光体に比べて、蛍光体４に高濃度の賦活元素を含ませ易く、なおかつ透明相４４ａが連続しており、不透明相４４ｂが透明相４４ａに囲まれている蛍光体４を得易い。このため、本実施形態に係る蛍光体４はμ－ＰＤ法により生成されることが好ましい。

図３に、本実施形態の蛍光体４の製造装置であるμ－ＰＤ法による単結晶製造装置２２の概略断面図を示す。μ－ＰＤ法は、試料を入れた坩堝２４を直接または間接的に加熱することにより坩堝２４内に対象物質の融液を得て、坩堝２４の下方に設置した種結晶３４を坩堝２４下端の開口部へ接触させ、そこで固液界面を形成しつつ種結晶３４を引き下げることにより単結晶を成長させる溶融凝固法である。

溶融凝固法においては、温度の低い箇所に賦活元素が移動しつつ単結晶が成長していく。生成した単結晶から個々の部分を切り出す際に、各切り出し位置において、賦活元素の所定の濃度分布を有する蛍光体が得られる。

図３に示すように、本実施形態に係る蛍光体４を製造するための単結晶製造装置２２は、開口部が下向きになるように設置してある坩堝２４とその周りを覆う耐火材炉２６とを備える。耐火材炉２６はさらに石英管２８により覆われており、石英管２８の縦方向の中央部付近には、坩堝２４の加熱のための誘導加熱コイル３０が設置されている。

坩堝２４の開口部には種結晶保持治具３２により保持された種結晶３４が設置されている。また、坩堝２４の開口部付近にはアフターヒーター３６が設置されている。

なお、図示しないが、単結晶製造装置２２には、耐火材炉２６の内部を減圧する減圧手段、減圧をモニターする圧力測定手段、耐火材炉２６の温度を測定する温度測定手段および耐火材炉２６の内部に不活性ガスを供給するガス供給手段が設けられている。

種結晶３４は単結晶を棒状に切り出した物を使用する。種結晶３４は、賦活元素を含まない単結晶が好ましい。

種結晶保持治具３２の素材は特に限定されないが、使用温度である１９００℃付近において影響の少ない緻密アルミナ等が好ましい。種結晶保持治具３２の形状と大きさも特に限定されないが、耐火材炉２６に接触しない程度の径である棒状の形状であることが好ましい。

単結晶の融点が高いため、坩堝２４およびアフターヒーター３６の材質はＩｒ、Ｍｏ等が好ましい。また、坩堝２４の材質の酸化による単結晶への異物混入を防止するために、坩堝２４の材質としてはＩｒを用いることがより好ましい。なお、１５００℃以下の融点の物質を対象とする場合は坩堝２４の材質としてＰｔを使用することが可能である。また、坩堝２４の材質としてＰｔを使用する場合には、大気中での結晶成長が可能である。１５００℃を超える高融点物質を対象とする場合は、坩堝２４およびアフターヒーター３６の材質として、Ｉｒ等を用いるため、結晶成長はＡｒ等の不活性ガス雰囲気下でのみ行われる。

坩堝２４の開口部の径は単結晶の融液の粘度が低いことや坩堝２４との濡れ性の点から、２００μｍ～４００μｍ程度で平らな形状が好ましい。

耐火材炉２６の材質は特に限定されないが、保温性や使用温度、結晶への不純物混入防止の観点からアルミナであることが好ましい。

次に、本実施形態に係る蛍光体４となる蛍光体（単結晶）の製造方法について具体的に説明する。以下では一例として蛍光体４の組成をＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅとした場合について説明する。

まず、耐火材炉２６内部の坩堝２４に単結晶の原料であるＹ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＣｅＯ₂を入れ、炉内をＮ₂やＡｒなどの不活性ガスで置換する。

次に、不活性ガスを１０ｍＬ／ｍｉｎ～１００ｍＬ／ｍｉｎで流入させながら誘導加熱コイル（加熱用高周波コイル）３０で坩堝２４を加熱し、原料を溶融して融液を得る。

原料を十分溶融したところで種結晶３４を坩堝下部から徐々に近づけ、坩堝２４下端の開口部に種結晶３４を接触させる。融液が坩堝２４下端の開口部から出た所で種結晶３４を下降させ、結晶成長を開始させる。

結晶成長速度は固液界面の様子をＣＣＤカメラ、またはサーモカメラで観察しながらマニュアルで温度と共にコントロールする。

アフターヒーターの径や長さの変更により、温度勾配は１０℃／ｍｍ～１００℃／ｍｍの範囲で選択可能である。本実施形態では、単結晶の成長速度が０．５ｍｍ／ｍｉｎ～２．０ｍｍ／ｍｉｎであることが好ましい。本実施形態では、単結晶の成長速度が比較的速いことにより、単結晶（透明相４４ａ）内に異相（不透明相４４ｂ）を形成し易く、透明相４４ａが連続しており、不透明相４４ｂが透明相４４ａに囲まれている蛍光体４を得易い。

坩堝２４内の融液が出なくなるまで種結晶３４を下降させ、坩堝２４から種結晶３４が離れた後、単結晶にクラックが入らない様に冷却を行う。このように坩堝２４とアフターヒーター３６以下にかけて急峻な温度勾配とすることで融液の引き出し速度を上げることが可能となる。

また、本実施形態では、アフターヒーター３６により坩堝２４以下での温度を制御することができる、結晶の冷却速度は結晶育成速度に応じて変化する。上記の観点から、坩堝２４以下での冷却速度は３０℃／時間～１９００℃／時間であることが好ましい。

耐火材炉２６内部には、上記の結晶成長および冷却の間も、加熱時と同条件で不活性ガスを流入したままにする。炉内雰囲気はＮ₂やＡｒ等の不活性ガスを使用することが好ましい。

上記した製造方法により、本実施形態に係る蛍光体４を得ることができる。

図４は、従来の蛍光体４への青色光ＬＢの照射の様子を示す模式図である。図４に示すように、青色光ＬＢから変換された蛍光ＬＦはランバーシアン配光により、励起光入射部４０を起点として全方向に等方的に放射される。また、図示していないが、波長変換されなかった青色光ＬＢの一部は励起光入射部４０で表面散乱を起こし、励起光入射部４０を起点として全方向に等方的に放射される。

ランバーシアン配光により蛍光体４側に放射された蛍光ＬＦの一部は、たとえば反射面４６と入射面４２とで全反射を繰り返す内面導波となる蛍光ＬＦ１となったり、内面導波により励起光入射部４０から離れた位置にて入射面４２（出射面）から蛍光体４の外側に向かって蛍光ＬＦ２が出射することがある。

また、青色光ＬＢの屈折角が９０°付近である場合には、青色光ＬＢは青色光ＬＢ１として示すように入射面４２に略平行に、入射面４２に沿って進行するため、青色光ＬＢ１は散乱されにくく、なおかつ蛍光ＬＦに変換されにくい。

このように、蛍光ＬＦが内面導波となったり（蛍光ＬＦ１）、蛍光ＬＦが励起光入射部４０から離れた位置から出射したり（蛍光ＬＦ２）、青色光ＬＢが散乱されにくく、なおかつ蛍光に変換されにくい（青色光ＬＢ１）といった現象が輝度の低下の原因となる。

これに対して、本実施形態では、蛍光体４が透明相４４ａと、不透明相４４ｂと、を含む。まず、本実施形態に係る透明相４４ａは波長変換に大きく寄与する。また、本実施形態に係る不透明相４４ｂは青色光ＬＢおよび蛍光ＬＢを拡散させることができる。言い換えると、不透明相４４ｂは蛍光体４の内部に入り込んだ光の散乱効率を向上させることができる。このため、蛍光体４の内部での内面導波を抑制することができる。内面導波の抑制により、青色光ＬＢおよび蛍光ＬＦが蛍光体４から外部へ漏れ出すことを低減することができるため、波長変換効率を向上させることができる。また、仮に青色光ＬＢの屈折角が９０°付近になっても、青色光ＬＢは不透明相４４ｂにより拡散されることができるため、散乱されたり、または、蛍光ＬＦに変換（波長変換）されることができる。さらに、本実施形態では、透明相４４ａは、蛍光体４に連続して存在することから、熱伝導率の高い透明相４４ａによる放熱パスを形成でき、放熱性が高いため、耐温度消光特性が高い。

このように、本実施形態に係る蛍光体４によれば、波長変換効率が高く、なおかつ耐温度消光特性が高いことから、輝度を向上させることができる。

上記の通り、本実施形態では、透明相４４ａは、蛍光体４に連続して存在することから、放熱性が高いため、耐温度消光特性が高い。このような観点からは、蛍光体４は単結晶である透明相４４ａ中に不透明相４４ｂが異相として存在することが好ましい。単結晶である透明相４４ａ中に不透明相４４ｂが異相として存在する場合は、蛍光体４が共晶体である場合に比べて、蛍光を発現させる蛍光発現相の体積比率が高いため蛍光特性が高い。また、単結晶である透明相４４ａ中に不透明相４４ｂが異相として存在する場合は、蛍光体４が多結晶体である場合に比べて、透明相４４ａに粒界や空隙等の熱散乱因子を含まないことから、放熱性を向上させ易いため耐温度消光特性を向上させることができる。このため、本実施形態のように、単結晶である透明相４４ａ中に不透明相４４ｂが異相として存在する場合は、蛍光体４が共晶体または多結晶体である場合に比べて、輝度を向上させることができる。なお、本実施形態では透明相４４ａだけでなく不透明相４４ｂも蛍光発現相になり得る。

また、本実施形態に係る蛍光体４によれば、内面導波を抑制でき、蛍光体４から出射される光の発光スポット径を狭小化できる。また、装置の小型化も可能である。このため、本実施形態に係る蛍光体４は、プロジェクター光源やスポットライト、投光器、ヘッドライト用光源などの用途に好ましく用いることができる。

さらに、従来の蛍光体では、内面導波により、発光スポット径の外側にて蛍光体表面から、蛍光成分のみが漏れ出ることにより、投影光（白色）の辺縁部が黄色くなる色むらが生じるイエローリングという現象が発生するという問題もある。しかし、本実施形態に係る蛍光体４では、内面導波を抑制することができ、なおかつ、照射された青色光ＬＢの一部および蛍光ＬＦの一部は不透明相４４ｂで効率よく散乱される。この散乱された青色光ＬＢおよび蛍光ＬＦが効率よく混合されることで、イエローリングなどが生じにくくなり、色むらが少ない白色光ＬＷを得ることができる。

さらに、不透明相４４ｂにより、励起光入射部４０（光取出し部４１）から蛍光体４の外側方向（蛍光体４の内部と反対方向）に向かう青色光ＬＢの反射を低減できることから、安全性の高い照明にすることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

たとえば、上記の実施形態では、反射型の光源装置２を示したが、光源装置は透過型であってもよい。透過型の光源装置では、蛍光体は、入射面に励起光入射部を有し、入射面と互いに向かい合う反射面に光取出し部を有する。

たとえば、入射面４２のうち励起光入射部４０以外の部分と、反射面４６の全面と、反射面４６および入射面４２に対して垂直な側面４８の全面と、は金属層で覆われていてもよい。言い換えると、蛍光体４の外面（表面）のうち、励起光入射部４０（光取出し部４１）以外の部分が光を反射する金属層で覆われていてもよい。

たとえば、励起光入射部４０に対応する蛍光体４の外面（表面）は制御層で覆われていてもよい。制御層は、入射する青色光ＬＢ（入射励起光）を透過し、蛍光体４の内部方向から反射した青色光ＬＢ（反射励起光）を再反射する。すなわち、制御層を介して青色光ＬＢを一方通行にすることができる。

また、上記の実施形態では、単結晶の成長速度を比較的速くすることにより、透明相４４ａが連続しており、不透明相４４ｂが透明相４４ａに囲まれている蛍光体４が得易い旨を示したが、他にも、高さの低いアフターヒーター等を用いることで、育成の際の結晶冷却速度を比較的早くすることや、原料粉中の賦活元素濃度比率の高い原料粉を用いて低速で育成することによっても、透明相４４ａが連続しており、不透明相４４ｂが透明相４４ａに囲まれている蛍光体４を得ることができる。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

（実験１）
実施例１～実施例４、比較例１および比較例２では、下記の方法により蛍光体４を製造した。

出発原料としてＹ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＣｅＯ₂を準備し、結晶化後の組成が｛Ｙ_(1-y)Ｃｅ_y｝₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（ｙ＝０．０１）を満たし、なおかつＹ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＣｅＯ₂が合計で２ｇになるように秤量した。内径１６ｍｍのＩｒ製の坩堝２４にＹ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＣｅＯ₂を投入した。

次に、原料を投入した坩堝２４を耐火材炉２６に投入し、耐火材炉２６内の雰囲気をＮ₂に置換し、常圧に維持したままＮ₂ガスを５０ｍＬ／ｍｉｎの流量でフローを行った。

その後、坩堝２４の加熱を開始しＹＡＧ単結晶の融点に達するまで１時間かけて徐々に加熱した。

ＹＡＧ単結晶を種結晶として用い、種結晶の先端を坩堝２４下端の開口部に接触させて、開口部から融液が出るまで温度を徐々に上昇させた。

坩堝２４端の開口部から融液が出たことを確認したのち、種結晶３４を徐々に降下させながら結晶育成を開始した。

この際、育成速度を０．５ｍｍ／ｍｉｎ～０．７ｍｍ／ｍｉｎとして結晶成長を行った。育成速度を変化させることにより、透明相４４ａおよび不透明相４４ｂの分布を変化させた。

育成の際、急冷を防ぐ目的で、坩堝２４下部にアフターヒーター３６を設置した。結晶の冷却速度が１５０℃／時間になるように調整した。

得られた結晶から２．５ｍｍ角、厚み（Ｙ０）１ｍｍのサイズに結晶体（蛍光体４）を切り出した。

＜透明相および不透明相の認定＞
得られた蛍光体４の厚み方向（Ｙ０方向）に垂直な面を表面鏡面加工（Ｒａ＜１μｍ）した。デジタルマイクロスコープ（キーエンス社ＶＨＸ５００＋レンズＶＨ-Ｚ１００Ｒ）で７００μｍ×５２５μｍ（倍率は４５０倍）の視野を観察した。光源を１２Ｖ，１００Ｗのハロゲンランプ（色温度３１００Ｋ）として、透明相４４ａおよび不透明相４４ｂについて、それぞれ色調を測定した。なお、測定の際は光電変換の過程で電荷を増幅させ（ゲインし）、シャッタースピードはオート設定とした。

ＲＧＢ－８ｂｉｔ表記でＲ：１９０～２１４、Ｇ：１９５～２１４、Ｂ：９０～１１４の色調で表示される領域を透明相４４ａとした。

ＲＧＢ－８ｂｉｔ表記でＲ：２１５～２２５、Ｇ：２１５～２２５、Ｂ：１１５～１３０の色調で表示される領域を不透明相４４ｂとした。

＜透明相が単結晶であることの確認＞
得られた蛍光体４の透明相４４ａについてＸ線回折を行い、ＹＡＧ単結晶のピークを確認した。

＜透明相の連続性の確認＞
透明相４４ａおよび不透明相４４ｂの色調を測定した上記の観察視野において、透明相４４ａが連続してつながっており、不透明相４４ｂに囲まれている透明相４４ａが０箇所以下である場合に、透明相４４ａの連続性が「有」と判断した。また、不透明相４４ｂに囲まれている透明相４４ａが１箇所以上である場合に、透明相４４ａの連続性が「無」と判断した。

＜透明相中のＣｅ濃度＞
透明相４４ａおよび不透明相４４ｂの色調を測定した上記の面において、ＥＰＭＡにより透明相４４ａのＣｅ濃度を測定した。具体的には、測定面の表面にカーボンを蒸着した。次いで、ＪＸＡ－８５００Ｆ型ＦＥ－ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製）によりＥＰＭＡ－ＳＥＭ観察した。観察条件は下記の通りとした。
加速電圧：１５ｋＶ
照射電流：０．１μＡ
３箇所の測定結果の平均値を「透明相中のＣｅ濃度」として表１に示す。なお、表１の「透明相中のＣｅ濃度」とは「透明相４４ａに含まれるＹおよびＣｅの合計に対する透明相４４ａに含まれるＣｅの濃度（ａｔ％）」を意味する。「透明相中のＣｅ濃度（ａｔ％）」を｛Ｃｅ_zＹ_(1-z)｝δＡｌεＯζで表される式のｚを使うと、「ｚ×１００」＝「透明相中のＣｅの濃度（ａｔ％）」となる。

＜透明相の組成＞
上記の「透明相中のＣｅ濃度」と同様にして、ＥＰＭＡにより透明相４４ａの組成を測定したところ、実施例１～４の透明相４４ａは、｛Ｃｅ_zＹ_(1-z)｝δＡｌεＯζで表される組成を有し、ｚは０．００７≦ｚ≦０．０３０の関係を満たし、δは２．７≦δ≦３．３の関係を満たし、εは４．７≦ε≦５．３の関係を満たし、ζは１１．７≦ζ≦１２．３の関係を満たすことが確認できた。

＜不透明相中のＣｅ濃度＞
上記の「透明相中のＣｅ濃度」と同様にして、ＥＰＭＡにより不透明相４４ｂの略中心のＣｅ濃度を測定した。３箇所の測定結果の平均値を「不透明相中のＣｅ濃度」として表１に示す。なお、表１の「不透明相中のＣｅ濃度」とは「不透明相４４ｂに含まれるＹおよびＣｅの合計に対する不透明相４４ｂに含まれるＣｅの濃度（ａｔ％）」を意味する。「不透明相中のＣｅ濃度（ａｔ％）」は｛Ｃｅ_xＹ_(1-ｘ₎｝αＡｌβＯγで表される式のｘを使うと「ｘ×１００」＝「不透明相中のＣｅ濃度（ａｔ％）」となる。

＜不透明相の組成＞
上記の「透明相中のＣｅ濃度」と同様にして、ＥＰＭＡにより不透明相４４ｂの組成を測定したところ、実施例１～４の不透明相４４ｂは、｛Ｃｅ_xＹ_(1-ｘ₎｝αＡｌβＯγで表される組成を有し、ｘは、０．０３０＜ｘ≦０．１２０の関係を満たし、αは、２．４≦α≦３．０の関係を満たし、βは、４．４≦β≦５．０の関係を満たし，γは、１．４≦γ≦１２．０の関係を満たすことが確認できた。

＜Ｓ１比率＞
透明相４４ａおよび不透明相４４ｂの色調を測定した上記の観察視野において、透明相４４ａの面積（Ｓ１）および不透明相４４ｂの面積（Ｓ２）をそれぞれ求め、１００×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）（％）を算出した。同様にして他の２箇所の７００μｍ×５２５μｍの観察視野において、それぞれ１００×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）（％）を算出した。３箇所の測定結果の平均値を「Ｓ１比率」として表１に示す。

＜不透明相１箇所の最小面積および不透明相１箇所の最大面積＞
透明相４４ａおよび不透明相４４ｂの色調を測定した上記の観察視野において、「不透明相１箇所の最小面積」および「不透明相１箇所の最大面積」をそれぞれ求めた。同様にして他の２箇所の７００μｍ×５２５μｍの観察視野において、それぞれ「不透明相１箇所の最小面積」および「不透明相１箇所の最大面積」を求めた。３箇所の「不透明相１箇所の最小面積」の平均値を「不透明相１箇所の最小面積」として表１に示す。また、３箇所の「不透明相１箇所の最大面積」の平均値を「不透明相１箇所の最大面積」として表１に示す。

＜２００℃法線輝度＞
蛍光体４の表面温度を２００℃に加熱した。測定装置として株式会社トプコンテクノハウス製 色彩輝度計ＢＭ－７ＦＡＳＴを用いて、加熱された蛍光体４の輝度を測定した。比較例２の輝度を１００（％）として、各実施例または比較例の輝度の相対値（％）を算出した。算出した結果を「２００℃法線輝度」として表１に示す。

＜２００℃法線輝度に対する２５℃法線輝度の比＞
上記の測定装置を用いて、表面温度が２５℃の蛍光体４の「２５℃法線輝度」を測定した。「２００℃法線輝度」と「２５℃法線輝度」の結果から「２００℃法線輝度に対する２５℃法線輝度の比（％）」つまり「１００×（２５℃法線輝度）／（２００℃法線輝度）（％）」を算出した。結果を表１に示す。

表１より、透明相４４ａが連続性を有し、なおかつ不透明相４４ｂを有する場合（実施例１～実施例４）は、透明相４４ａが連続性を有していない場合（比較例１）に比べて、２００℃法線輝度が高く、２００℃法線輝度に対する２５℃法線輝度の比が小さいことが確認できた。

表１より、透明相４４ａが連続性を有し、なおかつ不透明相４４ｂを有する場合（実施例１～実施例４）は、不透明相４４ｂを有していない場合（比較例２）に比べて、２００℃法線輝度が高いことが確認できた。

レーザーなどの高エネルギー密度の励起光源では、蛍光体４が高温になることから輝度低下が生じることがある。しかし、実施例１～実施例４の蛍光体４では、２００℃法線輝度が高く、なおかつ２００℃法線輝度に対する２５℃法線輝度の比が０％であることから高温による輝度低下を抑制できることが確認できた。

（実験２）
実施例５～実施例９および比較例３では、下記の方法により、さらに「単位面積当たりの不透明相の箇所数」を測定した以外は、実験１と同様にして、得られた蛍光体４に対して「透明相の連続性」を判断し、「透明相中のＣｅ濃度」、「不透明相中のＣｅ濃度」、「Ｓ１比率」、「２００℃法線輝度」および「２００℃法線輝度に対する２５℃法線輝度の比」の測定を行った。結果を表２に示す。

なお、上記の「透明相中のＣｅ濃度」と同様にして、ＥＰＭＡにより透明相４４ａの組成を測定したところ、実施例５～１０の透明相４４ａは、｛Ｃｅ_zＹ_(1-z)｝δＡｌεＯζで表される組成を有し、ｚは０．００７≦ｚ≦０．０３０の関係を満たし、δは２．７≦δ≦３．３の関係を満たし、εは４．７≦ε≦５．３の関係を満たし、ζは１１．７≦ζ≦１２．３の関係を満たすことが確認できた。

また、上記の「透明相中のＣｅ濃度」と同様にして、ＥＰＭＡにより不透明相４４ｂの組成を測定したところ、実施例５～１０の不透明相４４ｂは、｛Ｃｅ_xＹ_(1-ｘ₎｝αＡｌβＯγで表される組成を有し、ｘは、０．０３０＜ｘ≦０．１２０の関係を満たし、αは、２．４≦α≦３．０の関係を満たし、βは、４．４≦β≦５．０の関係を満たし，γは、１１．４≦γ≦１２．０の関係を満たすことが確認できた。

＜単位面積当たりの不透明相の箇所数＞
透明相４４ａおよび不透明相４４ｂの色調を測定した上記の観察視野において、不透明相４４ｂの箇所数を数えて、１ｍｍ²当たりの不透明相４４ｂの箇所数を算出し、「単位面積当たりの不透明相の箇所数」とした。同様にして他の２箇所の７００μｍ×５２５μｍの観察視野において、それぞれ「単位面積当たりの不透明相の箇所数」を算出した。３箇所の「単位面積当たりの不透明相の箇所数」の平均値を「単位面積当たりの不透明相の箇所数」として表２に示す。

表２より、Ｓ１比率が等しい実施例７と実施例８とを比較すると、単位面積当たりの不透明相の箇所数が５０箇所以上５５箇所以下である場合（実施例７）は、単位面積当たりの不透明相の箇所数が４７箇所である場合に比べて２００℃法線輝度が高いことが確認できた。実施例７では、単位面積当たりの不透明相の箇所数が適度に多いことにより、青色光および蛍光をより拡散させることができたと考えられる。

また、単位面積当たりの不透明相の箇所数が等しい実施例１０と実施例７とを比較すると、Ｓ１比率が５０（％）≦１００×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）（％）≦９０（％）の範囲内に含まれる場合（実施例７）はＳ１比率が３６％である場合（実施例１０）に比べて２００℃法線輝度が高いことが確認できた。実施例７では、Ｓ１比率が適度に高いことにより、青色光および蛍光をより拡散させることができたと考えられる。

（実験３）
下記の方法により共晶体蛍光体を製造した以外は実験１と同様にして、得られた共晶体蛍光体（比較例４）に対して「透明相の連続性」を判断し、「透明相中のＣｅ濃度」、「不透明相中のＣｅ濃度」および「２００℃法線輝度」の測定を行った。結果を表３に示す。

出発原料としてＹ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＣｅＯ₂を準備し、内径１６ｍｍのＩｒ製の坩堝２４に投入した。出発原料の配合比はＹ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＣｅＯ₂の合計を１００モル部としたとき、Ｙ₂Ｏ₃は１９．９５モル部であり、Ａｌ₂Ｏ₃は８０モル部であり、ＣｅＯ₂は０．０５モル部であった。

次に、これらの原料を投入した坩堝２４を耐火材炉２６に投入し、耐火材炉２６内の雰囲気をＮ₂に置換した。常圧に維持したままＮ₂ガス（不活性ガスＧ）を流して結晶育成を行った。

その後、坩堝２４の加熱を開始しＣｅ：ＹＡＧとＡｌ₂Ｏ₃の共融点に達するまで１時間かけて徐々に加熱した。

ＹＡＧ単結晶を種結晶３４として用い、種結晶３４の先端を坩堝２４端の開口部に接触させて、開口部から融液が出たことを確認したのち、種結晶３４を降下させながら結晶育成を開始した。得られた共晶体蛍光体から２．５ｍｍ角、厚み（Ｙ０）１ｍｍのサイズに共晶体蛍光体を切り出した。

表３より、透明相４４ａの連続性を有し、不透明相４４ｂである異相を含む単結晶である蛍光体４（実施例３）は、Ｃｅ：ＹＡＧ－Ａｌ₂Ｏ₃共晶体（比較例４）に比べて法線輝度が高いことが確認できた。

２… 光源装置
４… 蛍光体
４０… 励起光入射部
４１… 光取出し部
４２… 入射面
４４ａ，４４ａ１，４４ａ２… 透明相
４４ｂ… 不透明相
４６… 反射面
４８… 側面
６… 青色発光素子，青色レーザー光源
２２… 単結晶製造装置
２４… 坩堝
２６… 耐火材炉
２８… 石英管
３０… 誘導加熱コイル
３２… 種結晶保持治具
３４… 種結晶
３６… アフターヒーター
ＬＢ… 励起光，青色光，青色レーザー光
ＬＦ… 蛍光
ＬＷ… 白色光

Claims (11)

1. 透明相と、不透明相と、を含み、
   前記透明相は賦活元素を含む単結晶から成り、
   前記透明相は連続しており、前記不透明相は前記透明相に囲まれている蛍光体。
2. 前記不透明相は前記単結晶よりも前記賦活元素の濃度が高い請求項１に記載の蛍光体。
3. 前記不透明相は、前記透明相を構成する単結晶に最大限に含まれることができる前記賦活元素の含有量よりも高い含有量で前記賦活元素を含んでいる請求項１または２に記載の蛍光体。
4. 前記透明相はＣｅ：ＹＡＧ単結晶である請求項１～３のいずれかに記載の蛍光体。
5. 前記不透明相は前記透明相よりもＣｅの濃度が高い請求項１～４のいずれかに記載の蛍光体。
6. 前記不透明相は、｛Ｃｅ_xＹ_(1-ｘ₎｝αＡｌβＯγで表される組成を有し、
   前記ｘは、０．０３０＜ｘ≦０．１２０の関係を満たし、
   前記αは、２．４≦α≦３．０の関係を満たし、
   前記βは、４．４≦β≦５．０の関係を満たし，
   前記γは、１１．４≦γ≦１２．０の関係を満たす請求項１～５のいずれかに記載の蛍光体。
7. 前記透明相は、｛Ｃｅ_zＹ_(1-z)｝δＡｌεＯζで表される組成を有し、
   前記ｚは０．００７≦ｚ≦０．０３０の関係を満たし、
   前記δは２．７≦δ≦３．３の関係を満たし、
   前記εは４．７≦ε≦５．３の関係を満たし、
   前記ζは１１．７≦ζ≦１２．３の関係を満たす請求項１～６のいずれかに記載の蛍光体。
8. 所定範囲の表面または断面における１ｍｍ²当たりの前記不透明相の箇所数は２箇所以上６０箇所以下である請求項１～７のいずれかに記載の蛍光体。
9. 所定範囲の表面または断面における前記不透明相の１箇所における面積は５０μｍ²以上１０００μｍ²以下である請求項１～８のいずれかに記載の蛍光体。
10. 所定範囲の表面または断面における前記透明相の面積をＳ１とし、前記不透明相の面積をＳ２としたとき、
    前記Ｓ１および前記Ｓ２が５０（％）≦１００×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）（％）≦９０（％）の関係を満たす請求項１～９のいずれかに記載の蛍光体。
11. 請求項１～１０のいずれかに記載の蛍光体と、青色発光素子と、を有し、
    前記青色発光素子は、青色発光ダイオードおよび青色半導体レーザーから選ばれる少なくともいずれか一方である光源装置。

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