WO2021066054A1 - 波長変換部材 - Google Patents

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WO2021066054A1
WO2021066054A1 PCT/JP2020/037273 JP2020037273W WO2021066054A1 WO 2021066054 A1 WO2021066054 A1 WO 2021066054A1 JP 2020037273 W JP2020037273 W JP 2020037273W WO 2021066054 A1 WO2021066054 A1 WO 2021066054A1
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WO
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wavelength conversion
phosphor
conversion layer
particle group
cross
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PCT/JP2020/037273
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English (en)
French (fr)
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猪股　大介
理紀也 鈴木
祐輔 新井
佳弘 山下
博之 澤野
島村　清史
ビジョラ エンカルナシオン アントニア ガルシア
Original Assignee
株式会社タムラ製作所
国立研究開発法人物質・材料研究機構
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0225—Out-coupling of light
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/02—Use of particular materials as binders, particle coatings or suspension media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7766—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals containing two or more rare earth metals
    • C09K11/7774—Aluminates
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/007—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements the movable or deformable optical element controlling the colour, i.e. a spectral characteristic, of the light
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0087—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for illuminating phosphorescent or fluorescent materials, e.g. using optical arrangements specifically adapted for guiding or shaping laser beams illuminating these materials

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength conversion member.
  • a phosphor wheel having a disk-shaped substrate, which is a wavelength conversion member used in a laser projector, and a phosphor layer provided on the substrate is known (see, for example, Patent Document 1). ).
  • the phosphor wheel described in Patent Document 1 uses a phosphor having a large particle size to increase the thickness of the phosphor layer, uses a phosphor having a low Ce concentration, and uses only an inorganic material. It is composed of. It is said that the configuration has high emission intensity in high power applications, is less likely to cause performance deterioration due to temperature quenching, and reduces the risk of damage due to excessive heat.
  • Patent Document 1 the phosphor wheel described in Patent Document 2 in which the phosphor is sealed with a resin, and Patent Document 3 in which the phosphor layer and the substrate are bonded by a bonding material layer made of a resin are described.
  • the risk of burning due to the use of resin has been pointed out as a problem with the fluorescent material wheel.
  • the sealing member is made of resin.
  • resin is an inorganic material that has low cost, is relatively resistant to temperature cycles and thermal stress due to its soft hardness, and is excellent in extracting light from the phosphor because it has a smaller refractive index than the phosphor.
  • the formation temperature of the sealing member made of resin is generally 150 ° C. or lower, which is lower than the forming temperature of the sealing member made of inorganic material, for example, a high reflectance substrate using Ag is used. It can also be used on a substrate that is relatively sensitive to heat.
  • An object of the present invention is to provide a wavelength conversion member having excellent thermal conductivity, capable of irradiating with high-intensity excitation light to extract high-intensity fluorescence, and having a wide selection of materials for the sealing member. To provide.
  • One aspect of the present invention provides the following wavelength conversion members [1] to [12] in order to achieve the above object.
  • a wavelength conversion layer including a support, a phosphor particle group, and a sealing member for sealing the phosphor particle group, and provided directly on the support or via another layer.
  • An arbitrary cross section parallel to the thickness direction of the wavelength conversion layer includes a predetermined region in which the area ratio of the cross section of the phosphor particle group is 50% or more, and the predetermined region is the wavelength conversion.
  • the thickness of the layer is 50 ⁇ m or more, it is a rectangular region having a thickness of 50 ⁇ m from the bottom surface of the wavelength conversion layer and a width of 700 ⁇ m, and when the thickness of the wavelength conversion layer is less than 50 ⁇ m, the thickness is said.
  • a wavelength conversion member which is a rectangular region having a thickness of a wavelength conversion layer and a width of 700 ⁇ m.
  • the predetermined region includes two or more cross sections of phosphor particles constituting the phosphor particle group and having a maximum length of 40 ⁇ m or more.
  • the fluorescent particle group includes fluorescent particles having a curved surface.
  • the sealing member is made of a dimethyl silicone resin.
  • the sealing member contains a SiO 2 compound as a main component.
  • an additive having a higher thermal conductivity than the phosphor particles constituting the phosphor particle group is sealed in the sealing member.
  • a wavelength conversion member having excellent thermal conductivity capable of irradiating with high-intensity excitation light to extract high-intensity fluorescence, and having a wide selection of materials for the sealing member.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the wavelength conversion member according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) image of a vertical cross section of an example of a wavelength conversion layer.
  • FIG. 3 is an SEM image of another vertical cross section of the wavelength conversion layer.
  • FIG. 4A is a vertical cross-sectional view showing a configuration example of the high reflectance layer.
  • FIG. 4B is a vertical cross-sectional view showing another configuration example of the high reflectance layer.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of a wavelength conversion member as a conventional example in which a wavelength conversion layer made of YAG ceramics is fixed to a substrate with a silicone resin.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the wavelength conversion member according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) image of a vertical cross section of an example of a wavelength conversion layer.
  • FIG. 3 is an SEM image of another vertical cross section of the
  • FIG. 6A is a vertical cross-sectional view of the wavelength conversion member in which the wavelength conversion layer having the phosphor particles made of YAG powder and the sealing member made of silicone resin is fixed to the substrate.
  • FIG. 6B is a diagram showing the structure of the wavelength conversion member of FIG. 6A, which models the thermal structure.
  • FIG. 7A is a vertical cross-sectional view of a wavelength conversion member in which a wavelength conversion layer having a sealing member made of a large-diameter phosphor particle, a small-diameter phosphor particle, and a silicone resin is fixed to a substrate.
  • FIG. 7B is a diagram showing the structure of the wavelength conversion member of FIG. 7A, which models the thermal structure.
  • FIG. 8 is a vertical cross-sectional view of a modified example of the wavelength conversion member according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a vertical cross-sectional view of another modification of the wavelength conversion member according to the first embodiment.
  • FIG. 10A is a plan view when the wavelength conversion member according to the first embodiment is a phosphor wheel used in a laser projector.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view of the case where the wavelength conversion member according to the first embodiment is a phosphor wheel used in a laser projector.
  • FIG. 11 is a vertical cross-sectional view of the wavelength conversion member according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a graph showing an example of the wavelength conversion characteristics of the wavelength conversion member according to the first embodiment and the wavelength conversion member as a comparative example.
  • FIG. 12 is a graph showing an example of the wavelength conversion characteristics of the wavelength conversion member according to the first embodiment and the wavelength conversion member as a comparative example.
  • FIG. 13A is an SEM photograph of a cross section parallel to the thickness direction of the wavelength conversion member according to the comparative example.
  • FIG. 13B is an SEM photograph of another cross section parallel to the thickness direction of the wavelength conversion member according to the comparative example.
  • FIG. 13C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 13A and binarizing it.
  • FIG. 13D is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 13B and binarizing it.
  • FIG. 14A is an SEM photograph of a cross section of Sample A according to Example 2.
  • FIG. 14B is an SEM photograph of another cross section of Sample A according to Example 2.
  • FIG. 14C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 14A and binarizing it.
  • FIG. 14D is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 14B and binarizing it.
  • FIG. 15A is an SEM photograph of a cross section of Sample B according to Example 2.
  • FIG. 15B is an SEM photograph of another cross section of Sample B according to Example 2.
  • FIG. 15C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 15A and binarizing it.
  • FIG. 15D is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 15B and binarizing it.
  • FIG. 15A is an SEM photograph of a cross section of Sample B according to Example 2.
  • FIG. 15C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 15A and binarizing
  • FIG. 16A is an SEM photograph of a cross section of Sample C according to Example 2.
  • FIG. 16B is an SEM photograph of another cross section of Sample C according to Example 2.
  • FIG. 16C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 16A and binarizing it.
  • FIG. 16D is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 16B and binarizing it.
  • FIG. 17A is an SEM photograph of a cross section of Sample D according to Example 2.
  • FIG. 17B is an SEM photograph of another cross section of Sample D according to Example 2.
  • FIG. 17C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 17A and binarizing it.
  • FIG. 17D is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 17B and binarizing it.
  • FIG. 18A is an SEM photograph of a cross section of Sample E according to Example 2.
  • FIG. 18B is an SEM photograph of another cross section of Sample E according to Example 2.
  • FIG. 18C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 18A and binarizing it.
  • FIG. 18D is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 18B and binarizing it.
  • FIG. 19A is an SEM photograph of a cross section of Sample F according to Example 2.
  • FIG. 19B is an SEM photograph of another cross section of Sample F according to Example 2.
  • FIG. 19A is an SEM photograph of a cross section of Sample F according to Example 2.
  • FIG. 19B is an SEM photograph of another cross section of Sample F according to Example 2.
  • FIG. 19A is
  • FIG. 19C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 19A and binarizing it.
  • FIG. 19D is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 19B and binarizing it.
  • FIG. 20A is an SEM photograph of a cross section of Sample G according to Example 2.
  • FIG. 20B is an SEM photograph of another cross section of Sample G according to Example 2.
  • FIG. 20C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 20A and binarizing it.
  • FIG. 20D is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 20B and binarizing it.
  • FIG. 20A is an SEM photograph of a cross section of Sample G according to Example 2.
  • FIG. 20B is an SEM photograph of another cross section of Sample G according to Example 2.
  • FIG. 20C is an image obtained by cutting out
  • FIG. 21A is an SEM photograph of a cross section of Sample H according to Example 2.
  • FIG. 21B is an SEM photograph of another cross section of Sample H according to Example 2.
  • FIG. 21C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 21A and binarizing it.
  • FIG. 21D is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 21B and binarizing it.
  • FIG. 22A is an SEM photograph of a cross section of Sample I according to Example 2.
  • FIG. 22B is an SEM photograph of another cross section of Sample I according to Example 2.
  • FIG. 22C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 22A and binarizing it.
  • FIG. 22A is an SEM photograph of a cross section of Sample I according to Example 2.
  • FIG. 22B is an SEM photograph of another cross section of Sample I according to Example 2.
  • FIG. 22C is
  • FIG. 22D is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 22B and binarizing it.
  • FIG. 23 is a schematic view showing the configuration of the evaluation optical system according to the second embodiment.
  • FIG. 24A is a graph showing the relationship between the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group and the maximum fluorescence intensity of the fluorescence extracted in the samples A to E according to Example 2.
  • the curve shown in FIG. 24B shows an example of the relationship between the filler filling rate and the thermal conductivity drawn based on Bruggeman's equation.
  • FIG. 25 is a graph showing the relationship between the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group and the maximum intensity of the fluorescence extracted in the samples A to I according to Example 2.
  • FIG. 24A is a graph showing the relationship between the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group and the maximum intensity of the fluorescence extracted in the samples A to I according to Example 2.
  • FIG. 26A is an SEM photograph of a cross section of Sample J according to Example 3 parallel to the thickness direction.
  • FIG. 26B is an SEM photograph of another cross section parallel to the thickness direction of Sample J according to Example 3.
  • FIG. 26C is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 26A and binarizing it.
  • FIG. 26D is an image obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer shown in FIG. 26B and binarizing it.
  • FIG. 27A is a graph showing the wavelength conversion characteristics of Sample J according to Example 3.
  • FIG. 27B is a graph showing the temperature characteristics of the wavelength conversion member according to the sample J and the comparative example.
  • FIG. 28 is a schematic view showing the configuration of the evaluation optical system according to the fourth embodiment.
  • FIG. 29 is a graph showing the amount of spread of fluorescence extracted from the wavelength conversion layer of Sample K according to Example 4.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the wavelength conversion member 1 according to the first embodiment.
  • the wavelength conversion member 1 includes a substrate 10 as a support and a sealing member 13 for sealing the phosphor particle group 12 and the phosphor particle group 12, and is provided directly on the substrate 10 or via another layer.
  • the wavelength conversion layer 11 is provided.
  • the phosphor particle group 12 absorbs the excitation light and generates heat when the wavelength is converted. In order to suppress temperature quenching and obtain a large fluorescence intensity, it is required to enhance the thermal conductivity of the wavelength conversion layer 11 and effectively dissipate the heat generated in the phosphor particle group 12.
  • Condition 1 is that the thermal conductivity of the phosphors constituting the phosphor particle group 12 is higher than the thermal conductivity of the sealing member 13, so that the higher the volume ratio of the phosphor particle group 12 in the wavelength conversion layer 11, the higher the thermal conductivity. This is due to the increase in the thermal conductivity of the wavelength conversion layer 11.
  • the heat transfer coefficient is a parameter indicating the ease of heat transfer from the heat generation source to the adjacent member, and its unit is W / (m 2 ⁇ K).
  • the thermal conductivity of the phosphors constituting the phosphor particle group 12 at room temperature is, for example, 10 to 13 W / (m ⁇ K) in the case of a YAG-based phosphor to which Ce is added as an activator.
  • the thermal conductivity of the material of the sealing member 13 is, for example, 0.1 to 0.2 W / (m ⁇ K) for the resin material, ⁇ 1 W / (m ⁇ K) for the glass, and ⁇ 10 W / W / for SiO 2. It is about (m ⁇ K).
  • the thermal conductivity of SiO 2 is the same as that of the phosphor, but unlike resin and glass, it is difficult to completely fill the voids of the phosphor particle group, so that it is effective as the sealing member 13. Heat transfer is small.
  • the values of thermal conductivity described in the present specification are all values at room temperature (25 ° C.).
  • condition 2 a large-diameter phosphor which is not generally used in the past. It has been found that the inclusion of particles (hereinafter referred to as condition 2) is effective.
  • Condition 2 is that if the size of the phosphor is large, the distance through which heat is transferred through the phosphor having a higher thermal conductivity than the sealing member 13 made of silicone resin or the like increases, and the heat transfer coefficient of the wavelength conversion layer 11 increases. This is due to (the thermal resistance becomes smaller).
  • wavelength conversion is performed by using both the large-sized phosphor and the small-sized phosphor as compared with the case where the phosphor particle group 12 is composed of only the large-sized phosphor. It is easy to increase the filling rate in the layer 11, and it is easy to increase the heat transfer rate of the wavelength conversion layer 11 as a whole. Therefore, it is preferable to satisfy the condition 2 in addition to the condition 1 rather than satisfying only the condition 2.
  • a predetermined area ratio of the cross section of the phosphor particle group 12 to an arbitrary cross section parallel to the thickness direction of the wavelength conversion layer 11 is 50% or more. It was found that the condition 1 was satisfied when the region of (hereinafter referred to as the calculation region) was included. Further, when an arbitrary cross section parallel to the thickness direction of the wavelength conversion layer 11 includes a calculation region in which the area ratio of the cross section of the phosphor particle group 12 is 57% or more, the thermal conductivity of the wavelength conversion layer 11 is further improved. It can be increased and a large fluorescence intensity can be obtained.
  • the upper limit is set to, for example, 80%.
  • the calculation region is a rectangular region having a thickness of 50 ⁇ m from the bottom surface of the wavelength conversion layer 11 and a width of 700 ⁇ m when the thickness of the wavelength conversion layer 11 (minimum thickness if there is variation) is 50 ⁇ m or more. If the thickness of the wavelength conversion layer 11 (minimum thickness if there is variation) is less than 50 ⁇ m, the thickness is the thickness of the wavelength conversion layer 11 (minimum thickness if there is variation) and the width is 700 ⁇ m. Is a rectangular area of.
  • the calculation region is a region in the cross section parallel to the thickness direction of the wavelength conversion layer 11, in order to efficiently release the heat generated from the phosphor particle group 12 to the substrate 10. This is because the thermal conductivity in the thickness direction of is important. Further, the calculation region is a region from the bottom surface of the wavelength conversion layer 11, which is a region continuous to the substrate of the wavelength conversion layer 11 in order to efficiently release the heat generated from the phosphor particle group 12 to the substrate 10. This is because the thermal conductivity of is important. Even if the upper layer of the wavelength conversion layer 11 does not include the phosphor particle group 12 or has extremely low density regions of the phosphor particle group 12, heat generation by the phosphor particle group 12 in those regions is generated. Since it is absent or small, it has almost no effect on the temperature of the region including the phosphor particle group 12 of the wavelength conversion layer 11.
  • the reason why the width of the calculation area is set to 700 ⁇ m is as follows. In scanning electron microscope (SEM) observation, 150 times was set as a magnification at which particles having a particle size of about 5 ⁇ m could be clearly identified and a certain number of particles could be contained in the field of view. At this time, 700 ⁇ m was set as a suitable width of the region containing a sufficient number of particles.
  • the reason why the thickness of the calculation region is set to 50 ⁇ m is that the lower limit of the suitable film thickness of the wavelength conversion layer 11 is 50 ⁇ m, and that the wavelength conversion layer 11 contains a certain sufficient number of phosphor particles. There is a need for thickness from the bottom.
  • the area ratio of the cross section described above can be obtained by SEM image analysis of the cross section of the wavelength conversion layer 11. For example, when the SEM image obtained by SEM observation is binarized, the cross section of the sealing member 12 becomes black and the cross section of the phosphor particle group 12 becomes white.
  • the area ratio of the cross section of the phosphor particle group 12 is obtained as the value of the ratio of the area of the white region to the total area of the white region and the black region. Due to the nature of SEM, since only the surface in the cross section is observed in the SEM observation, the average value of the area ratio of the phosphor particle group 12 in the entire cross section of the wavelength conversion layer 11 obtained by the SEM observation is the wavelength conversion. It is substantially equal to the volume ratio of the phosphor particle group 12 in the layer 11.
  • the phosphor particle group 12 preferably has a large-diameter phosphor particle 12a having a maximum cross-sectional length of 40 ⁇ m or more for satisfying the condition 2, as shown in FIG. 1 and FIG. 2 described later.
  • a small-diameter phosphor particle 12b having a maximum cross-sectional length of 30 ⁇ m or less for facilitating the condition 1 is included, and is mainly composed of the phosphor particles 12a and the phosphor particles 12b.
  • the fluorescent particle 12a is a single crystal or polycrystalline (ceramic) fluorescent particle.
  • the phosphor particles 12a are single crystals, they are crushed particles obtained by, for example, coarsely crushing a single crystal ingot with a ball mill or the like and classifying the single crystal ingots.
  • the phosphor particles 12a are polycrystalline, for example, the polycrystalline particles of 30 ⁇ m or less obtained by solid phase synthesis are sintered with CIP (Cold Isostatic Pressing), HIP (Hot Iso-static Pressing), SPS. It is obtained by sintering (ceramic plate) by (Spark Plasma Sintering) or the like, coarsely crushing by a ball mill or the like, and classifying.
  • the phosphor particles 12a obtained by coarse crushing, both single crystal and polycrystal, have linear and planar shape characteristics associated with crushing, and the outer edge of the cross section is composed of a straight line or a curve close to a straight line. In many cases.
  • the single crystal particles do not include grain boundaries and have the same crystal orientation as the entire particles.
  • the phosphor particles 12a are single crystal phosphor particles. It is preferable to have.
  • the YAG-based single crystal phosphor has less decrease in fluorescence intensity with increasing temperature than the YAG-based polycrystalline phosphor. The decrease in fluorescence intensity is small because the decrease in internal quantum efficiency is small.
  • a typical YAG-based phosphor is a phosphor in which a Y 3 Al 5 O 12 (YAG) crystal is used as a mother crystal and Ce is added as an activator.
  • the composition of the phosphor particles 12a is not particularly limited, but the phosphor particles 12a are fluorescent particles having excellent temperature characteristics such as YAG-based phosphors (which can maintain wavelength conversion characteristics even under high temperature conditions). It is preferable to have.
  • the temperature characteristics of the phosphor particles 12a are important for using the wavelength conversion member 1 in a device such as a laser projector that uses high-intensity laser light as excitation light.
  • the phosphor particles 12a is represented by the composition formula (Y 1-x-y- z Lu x Gd y Ce z) 3 + a Al 5-a O 12 (0 ⁇ x ⁇ 0.9994,0 ⁇ y ⁇ 0.0669,
  • the temperature is 25 ° C. and the peak of the excitation light. It has excellent characteristics that the internal quantum efficiency is 0.95 or more when the wavelength is 450 nm, the internal quantum efficiency is 0.90 or more when the temperature is 300 ° C. and the peak wavelength of the excitation light is 450 nm. ..
  • the phosphor particles 12a is represented by the composition formula (Y 1-x-y- z Lu x Gd y Ce z) 3 + a Al 5-a O 12 (0 ⁇ x ⁇ 0.9994,0 ⁇ y It is preferable that the single crystal phosphor particles have a composition within the range represented by ⁇ 0.0669, 0.0002 ⁇ z ⁇ 0.0067, ⁇ 0.016 ⁇ a ⁇ 0.315).
  • the phosphor particles 12b are polycrystalline (ceramics) or single crystal phosphor particles, and when they are ceramic phosphor particles, a conventional general ceramic powder phosphor can be used. Since the conventional general ceramic powder phosphor is formed by solid phase synthesis, it is difficult to make the particle size 30 ⁇ m or more.
  • the surface of the phosphor particles 12b obtained by synthesis has a curved shape with fewer angles than the phosphor particles 12a, and the cross-sectional shape is closer to a circle or an ellipse than the phosphor particles 12a.
  • the surface of the phosphor particles 12b has a curved surface shape, the particles are less likely to get caught in each other, and the packing density of the phosphor particle group 12 in the wavelength conversion layer 11 can be increased. Further, the high packing density is advantageous for extracting light from the phosphor particle group 12.
  • the filling rate of the phosphor particle group 12 in the wavelength conversion layer 11 can be increased, that is, the volume ratio can be increased.
  • a single crystal phosphor is superior in temperature characteristics to a ceramic phosphor, but on the other hand, the concentration of Ce for obtaining an equivalent color is lower than that of a ceramic phosphor, and absorption of excitation light is achieved. It is characterized by a low rate. Therefore, when the phosphor particles 12a are single-crystal phosphor particles, the low absorption rate of the phosphor particles 12a can be compensated for by using ceramic phosphor particles as the phosphor particles 12b.
  • FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) image of a vertical cross section of an example of the wavelength conversion layer 11.
  • the SEM image of FIG. 2 includes cross sections of two phosphor particles 12a and a large number of phosphor particles 12b.
  • the maximum length L of the cross section of the phosphor particles 12a and 12b is the maximum value of the distance between any two points on the outer edge of the phosphor particles 12a and 12b.
  • a plurality of phosphor particles 12b that are aggregated and integrated as included in the region A of FIG. 2 are not counted as one fluorescent particle. That is, even if the maximum length of the cross section of the aggregate of the plurality of phosphor particles 12b is 40 ⁇ m, the cross section of the aggregate does not correspond to the cross section of one phosphor particle having a maximum length of 40 ⁇ m or more. .. As shown in FIG. 2, many of the aggregates of the plurality of phosphor particles 12b have a constriction in the vicinity of the boundary between the phosphor particles 12b.
  • FIG. 3 is an SEM image of another vertical cross section of the wavelength conversion layer 11.
  • the phosphor particles 12a shown in FIG. 3 have a curved surface shape whose surface is not acute, and include a plurality of pores 120 having a diameter of 5 ⁇ m or less inside.
  • the diameter of the pore is defined as the longest length of a straight line connecting arbitrary two points on the outer circumference of the pore.
  • the phosphor particle group 12 may include the phosphor particles 12a containing a plurality of pores 120 inside.
  • the light that has entered the inside of the phosphor particles 12a or the light generated inside the phosphor particles 12a is scattered by the pores 120, so that the light changes its direction and fluoresces.
  • the chances of escaping from the body particles 12a are increased, and the spread of light extracted from the wavelength conversion layer 11 can be suppressed.
  • the light can be efficiently condensed and used by the lens, so that the coupling efficiency with the optical system in a device such as a laser projector is increased.
  • the surface has a curved surface shape, it is advantageous to take out the fluorescent light generated inside the phosphor particles 12a.
  • the surface has a curved surface shape, there is an advantage that the particles are suppressed from being caught by each other when the wavelength conversion layer 11 is formed, and the volume ratio can be easily increased.
  • the phosphor particles 12a containing the pores 120 inside are made of a sintered body of single crystal particles, and can be produced by a method using a single crystal ingot as a raw material or a method using polycrystalline ceramics as a raw material.
  • a method using a single crystal ingot as a raw material when the phosphor particles 12a are YAG-based phosphors will be described.
  • the average particle size D50 is less than 0.6 ⁇ m, the pores 120 are less likely to occur.
  • the average particle size D50 exceeds 5 ⁇ m, it becomes difficult to sinter the crushed single crystal particles with each other, and the size of the pores 120 formed by the sintering becomes large.
  • the size of the pores 120 is increased, the density of the phosphor particles 12a is decreased, so that the thermal conductivity of the wavelength conversion layer 11 is decreased, and light may be less likely to be scattered. Therefore, the size of the pores 120 is increased. It is preferably 5 ⁇ m or less.
  • the crushed single crystal particles are heat-treated and sintered.
  • This heat treatment is preferably carried out in an inert gas atmosphere, for example an Ar atmosphere. Since this heat treatment is at a high temperature, in the case of a reducing atmosphere such as hydrogen or a mixed gas of hydrogen and nitrogen, the YAG-based phosphor, which is an oxide phosphor, is reduced and deteriorated, and the internal quantum efficiency is lowered. Similarly, in the case of a nitrogen atmosphere, the internal quantum efficiency of the YAG phosphor, which is an oxide phosphor, decreases due to the nitriding reaction. Further, in the case of an oxygen atmosphere, the valence of the Ce ion functioning as an activator changes from trivalent to partially tetravalent, and the internal quantum efficiency also decreases.
  • the heat treatment temperature is approximately 1450 to 1750 ° C, typically 1600 ° C.
  • the heat treatment time is about 1 to 12 hours, typically 5 hours. If the heat treatment temperature is less than 1450 ° C. or the heat treatment time is less than 1 hour, sintering may not proceed sufficiently. Further, when the heat treatment temperature exceeds 1750 ° C. or the heat treatment time exceeds 12 hours, the degree of sintering becomes too high, the physical force required for crushing described later becomes large, and the internal quantum due to damage caused by crushing becomes large. There is concern about reduced efficiency. Further, when the heat treatment temperature is high, there is a problem that the cost of the apparatus and the process cost are high.
  • the sintered body of the single crystal particles obtained by the heat treatment is crushed by a known method (the particles weakly adhered by heat are loosened) and classified. Then, a sintered body of large-diameter single crystal particles having a maximum cross section length of 40 ⁇ m or more selected by classification is used as the phosphor particles 12a. If the internal quantum efficiency of the phosphor particles 12a is lowered due to crushing, it can be recovered by performing heat treatment in an Ar atmosphere.
  • the sealing member 13 is made of a transparent resin (organic material) or a transparent inorganic material.
  • a resin is used as the material of the sealing member 13, the cost is lower and the hardness is softer than when an inorganic material is used, so that it is relatively resistant to temperature cycles and thermal stresses, and has a refractive index higher than that of a phosphor. Since it is small, it has advantages such as excellent light extraction from the phosphor.
  • the formation temperature of the sealing member made of resin is 150 ° C. or lower, which is lower than the forming temperature of the sealing member made of an inorganic material. Therefore, for example, the substrate 10 has a high reflectance using Ag.
  • the substrate is relatively sensitive to heat, such as a substrate, it can be used without any problem.
  • an inorganic material is used as the material of the sealing member 13, there is an advantage that the heat resistance is excellent as compared with the case where a resin is used.
  • the resin used as the material of the sealing member 13 examples include an acrylic resin, an epoxy resin, and a silicone resin (phenyl silicone resin, dimethyl silicone resin).
  • a dimethyl silicone resin is particularly preferable as a material for the sealing member 13 because it has excellent heat resistance.
  • the inorganic material used as the material of the sealing member 13 examples include low melting point glass, SiO 2 compound, Al 2 O 3 compound, SOG (spin-on glass) and the like.
  • SiO 2 compounds can be synthesized at low temperatures by a sol-gel method or the like, and because the contained components are simple, they have excellent long-term reliability and are easy to handle. Therefore, it is preferable that the sealing member 13 made of an inorganic material contains a SiO 2 compound as a main component.
  • the wavelength conversion member 1 high thermal conductivity can be obtained by the configuration of the phosphor particle group 12, so that when a resin is used as the material of the sealing member 13, and in applications such as a projector. Even when irradiating with high-intensity excitation light, deterioration due to heat of the sealing member 13 and accompanying damage to the wavelength conversion member 1 can be suppressed.
  • the thermal conductivity of the wavelength conversion member 1 is received from the thermal conductivity of the sealing member 13. The impact is small.
  • the material of the substrate 10 is not particularly limited, but it is preferable to use Al, which has high thermal conductivity and is relatively inexpensive.
  • Al which has high thermal conductivity and is relatively inexpensive.
  • sapphire As a material for the substrate 10, which has a high transmittance for visible light and a relatively large thermal conductivity.
  • a non-plate-shaped support may be used instead of the substrate 10.
  • the wavelength conversion member 1 preferably has a high reflectance layer 14 between the substrate 10 and the wavelength conversion layer 11.
  • the high reflectance layer 14 has a higher reflectance than the substrate 10.
  • the substrate 10 is made of Al
  • FIG. 4A and 4B are vertical cross-sectional views showing a configuration example of the high reflectance layer 14.
  • the high reflectance layer 14 (referred to as the high reflectance layer 14a) shown in FIG. 4A is an Ag-based film 141 made of Ag or an Ag-based alloy having a higher reflectance than Al, and the Ag-based film 14a is blackened by sulfide. It has a protective film 142 for preventing the above.
  • the average reflectance of the Ag-based film 141 with respect to visible light is about 98 to 99%.
  • the protective film 142 is made of an insulator (dielectric) transparent to visible light such as Al 2 O 3 , SiO 2 , and TiO 2.
  • dielectric transparent to visible light
  • the reflectance can be increased and the reflectance of the high reflectance layer 14 can be further increased.
  • the high reflectance layer 14b has an advantage that it can be manufactured at a low cost as compared with the high reflectance layer 14a having the Ag-based film 141.
  • the high refractive index particles 144 In order to suppress light absorption in the high reflectance layer 14b, particles having a high transmittance of visible light (for example, light having a wavelength of 440 to 730 nm) are used as the high refractive index particles 144. Further, since light is scattered at the interface between the high refractive index particles 144 having a refractive index difference and the low refractive index resin 143, it is preferable that the high refractive index particles 144 have a large specific surface area with respect to the total volume. Therefore, the high-refractive index particles 144 are preferably fine spherical particles having a particle size of about 1 to 5 ⁇ m. When fine particles are used as the high refractive index particles 144, the blending amount of the high refractive index particles 144 is adjusted so as not to reduce the volume ratio of the high refractive index particles 144 in the high reflectance layer 14b.
  • the high refractive index particle 144 is composed of, for example, Al 2 O 3 , SiC, diamond (C), Al N , BN, Si 3 N 4 , or Mg O.
  • a material such as Al 2 O 3 , which has a relatively high thermal conductivity, a high transmittance, and is easily available at a low price, is used in order to efficiently dissipate the heat generated by the wavelength conversion member 1 to the substrate 10. It is preferable to use it as a material for the refractive index particles 144.
  • the same material as the material of the sealing member 13 such as a dimethyl silicone resin (refractive index of about 1.41) can be used.
  • a material having a low refractive index such as a fluoride-based silicone resin (refractive index of about 1.36) as a material of the low refractive index resin 143.
  • SiO 2 having a relatively low refractive index can also be used as a material for the high refractive index particles 144.
  • the selection of materials for the high refractive index particles 144 is widened.
  • the high reflectance layer 14b is preferably as thin as possible (thickness 10 to 30 ⁇ m) and has high thermal conductivity in order to cause light scattering as strongly as possible and improve heat transfer characteristics. Therefore, the most preferable combination of the material of the low refractive index resin 143 and the material of the high refractive index particles 144 is a fluororesin and Al 2 O 3 .
  • 5 to 7 are schematic views for explaining the thermal resistance of the conventional general wavelength conversion layer and the wavelength conversion layer 11.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of a wavelength conversion member 50 as a conventional example in which a wavelength conversion layer 51 made of YAG ceramics is fixed to a substrate 53 with a silicone resin 52.
  • the thermal conductivity of the wavelength conversion layer 51 is 10 W / (m ⁇ K)
  • the thickness is 200 ⁇ m
  • the thermal resistance is 1 (reference for the thermal resistance of other members).
  • the thermal conductivity of the silicone resin 52 is 0.2 W / (m ⁇ K) and the thickness is 20 ⁇ m
  • the thermal resistance of the silicone resin 52 standardized by the thermal resistance of the wavelength conversion layer 51 (the thermal resistance of the wavelength conversion layer 51).
  • the value of the ratio of thermal resistance to to) is 5.0. Therefore, the combined thermal resistance of the wavelength conversion layer 51 and the silicone resin 52 normalized by the thermal resistance of the wavelength conversion layer 51 is 6.0.
  • FIG. 6A is a vertical cross-sectional view of the wavelength conversion member 1 in which the wavelength conversion layer 11 having the phosphor particles 12b made of YAG powder and the sealing member 13 made of silicone resin is fixed to the substrate 10.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 11 is 100 ⁇ m, and the volume ratio of the phosphor particles 12b and the sealing member 13 is 40:60.
  • FIG. 6B models the thermal structure of the wavelength conversion member 1 in order to simply evaluate the thermal resistance of the wavelength conversion layer 11 shown in FIG. 6A, and is regarded as a thermal series resistance circuit. Can be done.
  • the thickness of the phosphor particles 12b modeled in the form of a film is 40 ⁇ m, and the thermal resistance standardized by the thermal resistance of the wavelength conversion layer 51 is 0.2. Further, the thickness of the modeled sealing member 13 is 60 ⁇ m, and the thermal resistance standardized by the thermal resistance of the wavelength conversion layer 51 is 15.0. Therefore, the combined thermal resistance of the phosphor particles 12b and the sealing member 13 standardized by the thermal resistance of the wavelength conversion layer 51, that is, the thermal resistance of the wavelength conversion layer 11 is 15.2.
  • FIG. 7A is a vertical cross-sectional view of the wavelength conversion member 1 in which the wavelength conversion layer 11 having the phosphor particles 12a, the phosphor particles 12b, and the sealing member 13 made of a silicone resin is fixed to the substrate 10.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 11 is 80 ⁇ m, and the phosphor ratio is 65%.
  • FIG. 7B is a model of the thermal structure of the wavelength conversion member 1 in order to simply evaluate the thermal resistance of the wavelength conversion layer 11, and two thermal series resistance circuits are arranged in parallel. It can be regarded as a combined resistance circuit.
  • the thickness of the fluorescent particle 12a modeled in the block shape is 65 ⁇ m, and the thermal resistance standardized by the thermal resistance of the wavelength conversion layer 51 is 0.325 ⁇ 2. Further, the thickness of the phosphor particles 12b modeled on the block is 40 ⁇ m, and the thermal resistance standardized by the thermal resistance of the wavelength conversion layer 51 is 0.2 ⁇ 2.
  • the thicknesses of the modeled sealing members 13a and 13b are 15 ⁇ m and 40 ⁇ m, respectively, and the thermal resistance standardized by the thermal resistance of the wavelength conversion layer 51 is 3.75 ⁇ 2 and 10 ⁇ 2, respectively.
  • the thermal resistance of the phosphor particles 12a, the phosphor particles 12b, and the sealing member 13 standardized by the thermal resistance of the wavelength conversion layer 51, that is, the thermal resistance of the wavelength conversion layer 11 is 5.82. From this, it can be seen that the wavelength conversion layer 11 has the same thermal characteristics as the wavelength conversion layer 51 made of YAG ceramics fixed to the substrate 53 by the silicone resin 52. The difference from the wavelength conversion member 1 shown in FIG. 6 is one is the high density of the phosphor particles, and the other is the heat bypass effect due to the large phosphor particles 12a.
  • FIG. 8 is a vertical cross-sectional view of a modified example of the wavelength conversion member 1.
  • a low refractive index resin film 15 having a refractive index lower than that of the sealing member 13 is provided on the wavelength conversion layer 11.
  • the low refractive index resin film 15 is made of a resin having a low refractive index, such as a fluororesin or a fluoride-based silicone resin. By using the low refractive index resin film 15, the light extraction efficiency from the wavelength conversion member 1 can be improved.
  • the thickness of the low refractive index resin film 15 is preferably 5 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the thickness of the low refractive index resin film 15 may be 5 ⁇ m or more on average, and the light extraction efficiency does not decrease even if there are locally thin parts due to partial irregularities on the surface. Even if it is thicker than 30 ⁇ m, there is almost no thermal effect, but the light spread becomes large, so that the coupling efficiency with the optical system becomes low.
  • the low refractive index resin film 15 does not contain a phosphor.
  • FIG. 9 is a vertical cross-sectional view of another modification of the wavelength conversion member 1.
  • the particulate additive 16 is sealed in the sealing member 13.
  • the additive 16 has a higher thermal conductivity than the phosphor particles 12a and 12b constituting the phosphor particle group 12. Therefore, by using the additive 16, the thermal conductivity of the wavelength conversion layer 11 can be improved.
  • the additive 16 comprises, for example, Al 2 O 3 , SiC, diamond (C), Al N , BN, Si 3 N 4 , or Mg O.
  • the thermal conductivity of Al 2 O 3 is about 41 W / (m ⁇ K)
  • the thermal conductivity of SiC is about 200 W / (m ⁇ K)
  • the thermal conductivity of diamond is about 1000 to 2000 W / (m ⁇ K).
  • AlN has a thermal conductivity of about 70 to 270 W / (m ⁇ K)
  • BN has a thermal conductivity of about 60 to 200 W / (m ⁇ K)
  • Si 3 N 4 has a thermal conductivity of about 30 to 80 W.
  • the thermal conductivity of MgO is approximately 40 W / (m ⁇ K).
  • the thermal conductivity of the YAG phosphor which is a typical example of the phosphor particle group 12, is about 10 to 13 W / (m ⁇ K).
  • the amount of the additive 16 added is too large, the density of the phosphor particle group 12 in the wavelength conversion layer 11 decreases relatively, so that the volume of the additive 16 is 20% or less of the volume of the phosphor particle group 12. Is preferable.
  • the additive 16 has a higher transmittance of visible light, particularly light having a wavelength of 440 to 730 nm, than the phosphor particles 12a and 12b constituting the phosphor particle group 12. High is preferable. Further, in order to enhance the light scattering property of the excitation light or fluorescence, it is preferable that the refractive index of the additive 16 is higher than the refractive index of the phosphor particles 12a and 12b constituting the phosphor particle group 12.
  • the substrate 10A and 10B are a plan view and a cross-sectional view when the wavelength conversion member 1 is a disk-shaped member called a phosphor wheel used in a laser projector.
  • the substrate 10 has a disk shape, and an annular high reflectance layer 14 and a wavelength conversion layer 11 are provided along the outer periphery thereof.
  • the width of the annular wavelength conversion layer 11 is, for example, 3 to 7 mm, and the thickness is 50 to 250 ⁇ m.
  • the substrate 10 is provided with a hole 10a for passing the shaft of the motor that rotates the wavelength conversion member 1, and the wavelength conversion member 1 is installed in the laser projector so that the wavelength conversion member 1 can be rotated in the circumferential direction by the motor.
  • the wavelength conversion member 1 can continuously change the irradiation position 60 of the light emitted from the excitation light source such as a laser diode by rotating, for example, 7200 rpm, and the wavelength conversion layer 11 can be changed. Since the temperature rise can be suppressed, the phosphor intensity can be maintained high under the condition that the laser power is large. Further, by increasing the diameter of the phosphor wheel, the average intensity of the laser received by the phosphor irradiated with the laser can be reduced, and the temperature rise of the phosphor can be suppressed.
  • the excitation light source such as a laser diode
  • the wavelength conversion member 1 shown in FIGS. 1, 4, 8 and 9 is a reflection type wavelength conversion member that extracts fluorescence to the excitation light source side, whereas the wavelength conversion member 1 uses fluorescence as an excitation light source. It may be a transmission type wavelength conversion member taken out from the opposite side. In this case, a transparent substrate such as a sapphire substrate is used for the substrate 10, and a layer that reflects light such as the high reflectance layer 14 is not used.
  • the wavelength conversion member according to the second embodiment of the present invention is different from the wavelength conversion member according to the first embodiment in the configuration of the wavelength conversion layer.
  • the same points as in the first embodiment, such as the configuration of members other than the wavelength conversion member, will be omitted or simplified.
  • FIG. 11 is a vertical cross-sectional view of the wavelength conversion member 2 according to the second embodiment.
  • the wavelength conversion member 2 is on the substrate 10, the lower layer 21b including the phosphor particles 12b and the sealing member 13 for sealing the phosphor particles 12b, and the lower layer 21b including the phosphor particles 12a and the sealing member 13 for sealing the phosphor particles 12a.
  • a wavelength conversion layer 21 provided above the substrate 10 including an upper layer 21a is provided.
  • the wavelength conversion member 2 has a high reflectance layer 14 between the substrate 10 and the wavelength conversion layer 21 as in the wavelength conversion member 1.
  • the layer containing the large-diameter phosphor particles 12a and the layer containing the small-diameter phosphor particles 12b are separated, a plurality of phosphors having different chromaticities are used. It is suitable for the case or when a plurality of phosphors having different temperature characteristics of wavelength conversion efficiency are used. In particular, when a plurality of phosphors having different temperature characteristics are used, a phosphor having good temperature characteristics should be arranged on the upper layer side where the excitation light intensity is strong and the temperature tends to rise, and a phosphor having poor temperature characteristics should be arranged on the weak lower layer side.
  • a red-based phosphor has a lower temperature characteristic of wavelength conversion efficiency than a green-based or yellow-based phosphor, so a red-based (relatively large CIE chromaticity x) phosphor is placed on the lower layer side. It is preferable to arrange a greenish or yellowish (relatively small CIE chromaticity x) phosphor on the upper layer side.
  • the excitation light has excellent thermal conductivity and high intensity. It is possible to provide wavelength conversion members 1 and 2 capable of extracting high-intensity fluorescence by irradiating with. Further, the excellent thermal conductivity of the wavelength conversion members 1 and 2 is obtained from the conditions 1 and 2 related to the configuration of the phosphor particle group 12, and the influence of the thermal conductivity of the sealing member 13 is small. Therefore, a sealing member 13 made of various materials can be used. That is, there is a wide range of choices for the material of the sealing member 13.
  • wavelength conversion members 1 and 2 have excellent thermal conductivity, they can be suitably used for devices such as laser projectors that use high-intensity laser light as excitation light.
  • the high light utilization efficiency is directly linked to the result value, and various technologies to improve the light utilization efficiency in 1% units are being accumulated.
  • the light utilization efficiency of the laser projector is proportional to the wavelength conversion efficiency (absorption ⁇ internal quantum efficiency ⁇ light extraction efficiency from particles), the light extraction efficiency from the wavelength conversion layer, and the coupling efficiency with the condensing optical system. ..
  • the light extraction efficiency from the wavelength conversion layer 11 is improved by using the low refractive index resin film 15 as shown in FIG. ,
  • the phosphor particle group 12 containing the phosphor particles containing a plurality of pores 120 inside as shown in FIG. 3 is used to suppress the spread of the extracted light, and to be combined with a condensing optical system such as a lens or an optical fiber. It is preferable to increase the binding efficiency of.
  • the YAG-based phosphor and the LuAG-based phosphor are mainly used as examples of the phosphors constituting the phosphor particle group 12, but other garnet-based phosphors are used.
  • phosphor and other phosphor for example, or sialon-based phosphor such as siAlON, in case of using such Cousin based phosphor such as CaAlSiN 3, another phosphor as a phosphor constituting the phosphor particles 12 Even if there is, the same effect can be obtained.
  • FIG. 12 shows the wavelength conversion of the wavelength conversion member 1 (sample H described later) according to the first embodiment and the wavelength conversion member as a comparative example in which the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group 12 is less than 50%. It is a graph which shows an example of a characteristic.
  • the wavelength conversion member 1 and the wavelength conversion member according to the comparative example are phosphor wheels having the same wheel diameter, and measurement is performed using the evaluation optical system 30 for a laser projector shown in FIG. 23, which will be described later. did.
  • the excitation light intensity which is standardized by the excitation light intensity when the fluorescence intensity of the wavelength conversion member according to the comparative example is saturated (the excitation light intensity at that time is set to 1).
  • the vertical axis represents the fluorescence intensity, which is standardized by the fluorescence intensity when the fluorescence intensity of the wavelength conversion member according to the comparative example is saturated (the fluorescence intensity at that time is set to 1).
  • the diameter of the phosphor wheel to be evaluated (wavelength conversion member 1 and the wavelength conversion member according to the comparative example) is about 30 mm, and the spot size (full width at half maximum) of the excitation light is 0.86 mm.
  • the number of revolutions of the phosphor wheel is 7200 revolutions per minute.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 11 of the wavelength conversion member 1 and the wavelength conversion member according to the comparative example is about 100 ⁇ m.
  • the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group 12 was measured in the cross-sections parallel to the two thickness directions of the wavelength conversion member 1 which is the sample H, it was 54.3% and 54.5%, respectively. there were. Further, the number of cross sections of the phosphor particles having a maximum length of 40 ⁇ m or more included in the cross sections parallel to the two thickness directions was 6 and 8, respectively.
  • FIGS. 13A and 13B are SEM photographs of two cross sections parallel to the thickness direction of the wavelength conversion member according to the comparative example.
  • the two cross sections of the wavelength conversion member according to the comparative example do not include the cross section of the phosphor particles having a maximum length of 40 ⁇ m or more.
  • a calculation region (a rectangular region having a thickness of 50 ⁇ m from the bottom surface of the wavelength conversion layer 11 and a width of 700 ⁇ m) is cut out from the cross section of the wavelength conversion layer 11 shown in FIGS. 13A and 13B, respectively. It is a binarized image. From the binarized images of FIGS. 13C and 13D, the cross-sectional area ratios of the phosphor particle group 12 were determined to be 46.2% and 46.7%, respectively.
  • Figure wavelength conversion characteristic of 12 the phosphor particles 12 in composition formula (Y 1-z Ce z) 3 Al 5 O 12 phosphor particles laser diode configured wavelength conversion member 1 from having a composition represented It was obtained by irradiating a laser beam emitted from the above as excitation light.
  • Table 1 below shows the numerical values of the plot points in FIG. “Example” in Table 1 means an example of the wavelength conversion member 1, and “Comparative example” means an example of the wavelength conversion member (equivalent product of the wavelength conversion member 1 shown in FIG. 6) according to the comparative example.
  • the maximum intensity of the excitation light that can be used for the wavelength conversion member 1 is about 1.7 times or more the maximum intensity of the excitation light that can be used for the wavelength conversion member according to the comparative example.
  • the wavelength conversion member 1 has a higher heat transfer coefficient of the wavelength conversion layer than the wavelength conversion member according to the comparative example, and can suppress the temperature rise of the wavelength conversion layer. Therefore, for example, when the wavelength conversion member 1 is a phosphor wheel as shown in FIGS. 10A and 10B, the wheel diameter is kept constant as compared with the phosphor wheel made of the wavelength conversion member according to the comparative example.
  • the intensity of the laser light which is the excitation light, can be increased 1.7 times or more without reducing the wavelength conversion efficiency. With the laser excitation light source used, measurement could not be performed until the fluorescence intensity of the wavelength conversion member 1 was saturated.
  • the wheel diameter can be reduced as compared with the phosphor wheel composed of the wavelength conversion member according to the comparative example. This makes it possible to reduce the size of the housing of the laser projector, and thereby reduce the product cost.
  • the maximum fluorescence intensity of the wavelength conversion member 1 is about 1.6 times or more the maximum fluorescence intensity of the wavelength conversion member according to the comparative example. Therefore, for example, when the wavelength conversion member 1 is a phosphor wheel, the brightness is kept constant without lowering the wavelength conversion efficiency as compared with the phosphor wheel composed of the wavelength conversion member according to the comparative example. [Lm] can be increased 1.6 times or more. With the laser excitation light source used, the brightness could not be measured until the fluorescence intensity of the wavelength conversion member 1 was saturated. Further, by this means, even if the wheel diameter is reduced, it is possible to secure the same brightness as the phosphor wheel made of the wavelength conversion member according to the comparative example.
  • the wavelength conversion member 1 (referred to as Samples A to I) according to the first embodiment, which includes the substrate 10 and the wavelength conversion layer 11 formed under various conditions, was manufactured and evaluated.
  • the samples A to I are phosphor wheels.
  • Samples A to I are phosphor wheels having an annular substrate 10 and an annular wavelength conversion layer 11.
  • the substrates 10 of the samples A to I are made of Al (aluminum)
  • the sealing member 13 is made of a silicone resin
  • the phosphor particle group 12 is a single crystal YAG fluorescence to which about 0.25 at% Ce is added as an activator. It is composed of body particles.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 11 of the samples A to I is about 100 ⁇ m.
  • samples A to I The manufacturing process of samples A to I is as follows. First, the silicone resin weighed to the design value is mixed with the phosphor particles also weighed to the design value to obtain a raw material for the wavelength conversion layer 11. Next, the raw material of the wavelength conversion layer 11 is printed on the substrate 10 by screen printing. Then, in order to cause a cross-linking reaction in the silicone resin, the silicone resin is baked in the atmosphere at 100 ° C. for 1 hour and then at 150 ° C. for 2 hours to form the wavelength conversion layer 11.
  • 14A, 14B to 18A, and 18B are SEM photographs of two cross sections parallel to the thickness direction of samples A to E, respectively.
  • the two cross sections of Samples A to E do not include the cross section of the phosphor particles having a maximum length of 40 ⁇ m or more.
  • 19A, 19B to 22A, and 22B are SEM photographs of two cross sections parallel to the thickness direction of samples FI, respectively.
  • the two cross sections of Samples F to I include cross sections of phosphor particles having a maximum length of 40 ⁇ m or more.
  • 14C, 14D to 22C, and 22D show a calculation region (thickness from the bottom surface of the wavelength conversion layer 11 is 50 ⁇ m) from the cross section of the wavelength conversion layer 11 shown in FIGS. 14A, 14B to 22A, and 22B, respectively.
  • This is a binarized image obtained by cutting out a rectangular region having a width of 700 ⁇ m). From these binarized images, the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group 12 was determined.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing the configuration of the evaluation optical system 30 for the fluorescence intensity extracted from the samples A to I.
  • the evaluation optical system 30 is a laser projector evaluation system having a configuration for evaluating the characteristics when the wavelength conversion member is applied to the laser projector, and is emitted from a blue laser diode 31 as a light source and a laser diode 31.
  • a dichroic mirror 32 that reflects the blue excitation light and transmits the fluorescence emitted from the wavelength conversion layers 11 of the samples A to I, and a light detection that measures the intensity of the fluorescence emitted from the wavelength conversion layers 11 of the samples A to I. It has a vessel 33 and.
  • the wavelength of the excitation light emitted by the laser diode 31 was 450 nm.
  • the excitation light intensity of the laser diode 31 was changed within a range in which the excitation light intensity on the surface of the wavelength conversion layer 11 of each sample was about 110 W at the maximum.
  • the spot size on the surface of the wavelength conversion layer 11 of the excitation light (laser) was set to a size such that the full width at half maximum (FWHM) was 0.86 mm.
  • Table 2 below shows the evaluation results of samples A to I.
  • (A) of the “fluorescent cross-section area ratio” is the area ratio of the cross section of the phosphor particle group 12 in the calculation region in the cross section shown in FIGS. 14A to 22A
  • (b) is the area ratio of the cross section of the phosphor particle group 12 in FIGS. It is the area ratio of the cross section of the phosphor particle group 12 in the calculation region in the cross section shown in 22B.
  • “Large grain number” (a) is the number of cross sections of phosphor particles having a maximum length of 40 ⁇ m or more included in the calculation region in the cross sections shown in FIGS. 14A to 22A
  • (b) is the number of cross sections of FIG. 14B.
  • the "maximum fluorescence intensity” is the maximum fluorescence intensity obtained by changing the intensity of the excitation light.
  • FIG. 24A shows the smaller value of the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group 12 in each sample in the samples A to E in which the phosphor particles 12a are not included in the cross section, and the maximum fluorescence intensity of the fluorescence extracted. It is a graph which shows the relationship.
  • the phosphor particle group 12 when the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group 12 is about 30% or less, the phosphor particle group 12 cannot sufficiently absorb the excitation light, so that the maximum fluorescence intensity is low.
  • the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group 12 exceeds about 30%, the increase in the maximum fluorescence intensity temporarily stagnates, which is considered to be because the absorption amount of the excitation light of the phosphor particle group 12 is saturated at about 30%. Be done.
  • the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group 12 becomes 50% or more, the maximum fluorescence intensity increases again. It is considered that this is because the heat transfer coefficient of the wavelength conversion layer 11 starts to increase significantly, so that the temperature increase of the phosphor particle group 12 is suppressed. This consideration can be derived from the relationship between the filler filling rate and the thermal conductivity in a general resin composite material.
  • ⁇ is the volume filling rate of the filler
  • ⁇ f is the thermal conductivity of the filler
  • ⁇ m is the thermal conductivity of the resin
  • ⁇ c is the thermal conductivity of the coating composition.
  • the curve shown in FIG. 24B shows an example of the relationship between the filler filling rate and the thermal conductivity drawn based on Bruggeman's equation.
  • FIG. 24A shows that the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group 12 is preferably 50% or more. Further, when the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group 12 is equal to or higher than the cross-sectional area ratio of the sample E, that is, when it is about 57% or more, a higher maximum fluorescence intensity can be obtained.
  • FIG. 25 shows the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group 12 and the maximum fluorescence extracted in the samples A to E having no phosphor particles 12a in the cross section and the samples F to I having the phosphor particles 12a in the cross section. It is a graph which shows the relationship with strength.
  • FIG. 25 shows that when the cross section contains the phosphor particles 12a, the fluorescence intensity with respect to the cross-sectional area ratio of the phosphor particle group 12 tends to be larger than when the cross section does not contain the phosphor particles 12a. ing.
  • FIG. 25 are fluorescence having a maximum length of 40 ⁇ m or more included in the calculation regions of the two cross sections of the samples F to I, respectively.
  • the smaller number of the cross sections of the body particles is shown. From FIG. 25, when the calculation region of the cross section of the wavelength conversion layer 11 includes two or more cross sections of phosphor particles having a maximum length of 40 ⁇ m or more, the fluorescence intensity with respect to the cross section area ratio of the phosphor particle group 12 is high. It can be said that it will grow.
  • FIGS. 26A and 26B are SEM photographs of two cross sections parallel to the thickness direction of a sample (referred to as sample J) having particularly high luminescence characteristics among the samples prepared by the present inventor. Further, FIGS. 26C and 26D are binarized images obtained by cutting out a calculation region from the cross section of the wavelength conversion layer 11 shown in FIGS. 26A and 26B, respectively.
  • Sample J is a phosphor wheel having an annular substrate 10 and an annular wavelength conversion layer 11 like the samples A to I. Further, the substrate 10 of the sample J is made of Al (aluminum), the sealing member 13 is made of a silicone resin, and the phosphor particle group 12 is a single crystal YAG fluorescence to which about 0.25 at% Ce is added as an activator. It is composed of body particles. The thickness of the wavelength conversion layer 11 of the sample J is about 225 ⁇ m.
  • the phosphor particle group 12 (including large particles and small particles) weighed to the design value is mixed.
  • the silicone resin is screen-printed on the substrate 10.
  • the thickness of the silicone resin at this time is set to 5 to 30 ⁇ m according to the finish film thickness of the wavelength conversion layer 11 (about 20 ⁇ m for the sample J shown in FIG. 26).
  • the mixed phosphor particle group 12 is dropped (sprinkled) onto the printed silicone resin.
  • the substrate 10 on which the silicone resin is printed may be pressed against the container containing the phosphor particle group 12.
  • the silicone resin sprinkled with the phosphor particle group 12 is compressed at a pressure of 0.1 to 0.5 MPa, typically 0.2 MPa, via a pressure plate.
  • the density of the phosphor particle group 12 can be effectively increased by shaking or vibrating the pressure plate to remove the catch between the phosphor particles. If the applied pressure is too weak, the density of the phosphor particle group 12 does not increase sufficiently, and if it is too strong, the silicone resin will be used unless some measures are taken to prevent the silicone resin from spreading laterally in the plane direction of the substrate 10. It spreads too much and the designed film thickness cannot be obtained.
  • Table 3 below shows the evaluation results of sample J.
  • the fluorescence intensity taken out from the sample J was measured by using the evaluation optical system 30 described above in the same manner as in the samples A to I.
  • the diameter of the phosphor wheel of sample J is about 40 mm.
  • FIG. 27A is a graph showing the wavelength conversion characteristics of the sample J as the wavelength conversion member 1.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 27A is the intensity [W] of the excitation light irradiating the sample J
  • the vertical axis is the intensity [W] of the fluorescence wavelength-converted by the wavelength conversion layer 11 of the sample J.
  • FIG. 27A also shows the wavelength conversion characteristics of the wavelength conversion member 50 shown in FIG. 5 as a comparative example.
  • the wavelength conversion member 50 according to this comparative example has a structure in which a wavelength conversion layer 51 made of a phosphor ceramic plate is adhered on a substrate 53 with a silicone resin 52.
  • the wavelength conversion member 50 which is a comparative example, undergoes temperature quenching when the excitation light intensity exceeds 100 W, and the fluorescence intensity decreases.
  • the sample J has an excitation light intensity of 100 W. Even if it exceeds the limit, the fluorescence intensity continues to increase. This is an effect due to the fact that the volume ratio of the phosphor particle group 12 is high, the number of large particle sizes is large, and the large particle size particles are single crystal phosphors.
  • FIG. 27B is a graph showing an increase in the surface temperature of the wavelength conversion layer when the sample J and the wavelength conversion member 50 are irradiated with a laser.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 27B is the intensity [W] of the excitation light
  • the vertical axis is the amount of increase in the surface temperature of the wavelength conversion layer 11 of the sample J and the wavelength conversion layer 51 of the wavelength conversion member 50 ⁇ T [° C.]. Is.
  • the amount of increase ⁇ T in the surface temperature is based on the surface temperature before irradiation with the excitation light.
  • the evaluation result that the sample J has excellent characteristics in the evaluation optical system 30 which is the projector evaluation system has been obtained, and the sample J exhibits excellent performance as a wavelength conversion member of the projector. was confirmed.
  • sample K Due to the presence of pores 120 of the wavelength conversion member 1 (referred to as sample K) having the wavelength conversion layer 11 shown in FIG. 3, in which the phosphor particles 12a containing a plurality of pores 120 are included in the phosphor particle group 12. The effect was evaluated.
  • Sample K is a phosphor wheel having an annular substrate 10 and an annular wavelength conversion layer 11 like the samples A to J.
  • the substrate 10 of the sample K is made of Al (aluminum)
  • the sealing member 13 is made of a silicone resin
  • the phosphor particle group 12 is a single crystal YAG fluorescence to which about 0.25 at% Ce is added as an activator. It is composed of body particles.
  • the phosphor particles 12a containing a plurality of pores 120 inside are made of a sintered body of single crystal particles.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 11 of the sample K is about 110 ⁇ m, and the phosphor cross-sectional area ratio obtained from the SEM image is 55%. Further, as the method for forming the wavelength conversion layer 11 of the sample K, the same method as the method for forming the wavelength conversion layer 11 of the sample J described above was used.
  • FIG. 28 is a schematic diagram showing the configuration of the evaluation optical system 40 used for the measurement of the sample K.
  • the evaluation optical system 40 includes a blue laser diode 41 as a light source and a hyperspectral camera 42 for measuring the spectrum of fluorescence emitted from the wavelength conversion layer 11 of the sample K.
  • the hyperspectral camera 42 is a camera having spatial resolution and wavelength resolution. The angle formed by the laser incident direction emitted from the laser diode 41 and the direction of the optical axis 420 of the hyperspectral camera 42 was set to 55 °.
  • FIG. 29 is a graph showing the amount of spread of fluorescence at a wavelength of 540 nm extracted from the wavelength conversion layer 11 of sample K when irradiated with laser light having a wavelength of 450 nm and a spot size (half width) of 80 ⁇ m.
  • FIG. 29 also shows the characteristics of the wavelength conversion member different from the sample K only in that the phosphor particles 12a do not contain pores 120 inside.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 29 is the position on the surface of the wavelength conversion layer 11, and the vertical axis is the intensity of fluorescence at a wavelength of 540 nm converted by the wavelength conversion layer 11.
  • the position on the surface of the wavelength conversion layer 11 on the horizontal axis is represented by the distance from the center of the irradiation spot of the excitation light.
  • the fluorescence intensity data of the sample K of FIG. 29 and the wavelength conversion member according to the comparative example are standardized so that the peak value of the fluorescence intensity of the sample K and the peak value of the fluorescence intensity of the wavelength conversion member according to the comparative example match. Has been done.
  • the sample K has a smaller peak spread and a smaller spread of the light extracted from the wavelength conversion layer 11 than the wavelength conversion member according to the comparative example. Since the spread of the light is small, the coupling efficiency in the condensing optical system is high, and the projector efficiency can be high.
  • a wavelength conversion member having excellent thermal conductivity, capable of irradiating with high-intensity excitation light to extract high-intensity fluorescence, and having a wide selection of materials for the sealing member.

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Abstract

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、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が含まれ、前記所定の領域が、波長変換層１１の厚さが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の厚さが５０μｍ未満の場合は厚さが波長変換層１１の厚さで幅が７００μｍの長方形の領域である、波長変換部材１を提供する。

Description

波長変換部材
　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る、波長変換部材。
［２］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、上記［１］に記載の波長変換部材。
［３］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］又は［２］に記載の波長変換部材。
［４］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］～［３］のいずれか１項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ＳｉＯ２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、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ダイヤモンド（Ｃ）、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、又はＭｇＯからなる、上記［８］に記載の波長変換部材。
［１０］前記単結晶の蛍光体粒子の少なくとも一部が、組成式（Ｙ１－ｘ－ｙ－ｚＬｕｘＧｄｙＣｅｚ）３＋ａＡｌ５－ａＯ１２（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［１］～［９］のいずれか１項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、上記［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、上記［１１］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４Ａは、高反射率層の構成例を示す垂直断面図である。 図４Ｂは、高反射率層の他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６Ａ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６Ｂは、熱的構造をモデル化した図６Ａの波長変換部材の構造を示す図である。 図７Ａ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７Ｂは、熱的構造をモデル化した図７Ａ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１０Ａ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である。 図１０Ｂ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１３Ａは、比較例に係る波長変換部材の厚さ方向に平行な断面のＳＥＭ写真である。 図１３Ｂは、比較例に係る波長変換部材の厚さ方向に平行な他の断面のＳＥＭ写真である。 図１３Ｃは、図１３Ａ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１３Ｄは、図１３Ｂ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１４Ａは、実施例２に係る試料Ａの断面のＳＥＭ写真である。 図１４Ｂは、実施例２に係る試料Ａの他の断面のＳＥＭ写真である。 図１４Ｃは、図１４Ａ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１４Ｄは、図１４Ｂ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１５Ａは、実施例２に係る試料Ｂの断面のＳＥＭ写真である。 図１５Ｂは、実施例２に係る試料Ｂの他の断面のＳＥＭ写真である。 図１５Ｃは、図１５Ａ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１５Ｄは、図１５Ｂ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１６Ａは、実施例２に係る試料Ｃの断面のＳＥＭ写真である。 図１６Ｂは、実施例２に係る試料Ｃの他の断面のＳＥＭ写真である。 図１６Ｃは、図１６Ａ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１６Ｄは、図１６Ｂ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１７Ａは、実施例２に係る試料Ｄの断面のＳＥＭ写真である。 図１７Ｂは、実施例２に係る試料Ｄの他の断面のＳＥＭ写真である。 図１７Ｃは、図１７Ａ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１７Ｄは、図１７Ｂ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１８Ａは、実施例２に係る試料Ｅの断面のＳＥＭ写真である。 図１８Ｂは、実施例２に係る試料Ｅの他の断面のＳＥＭ写真である。 図１８Ｃは、図１８Ａ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１８Ｄは、図１８Ｂ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１９Ａは、実施例２に係る試料Ｆの断面のＳＥＭ写真である。 図１９Ｂは、実施例２に係る試料Ｆの他の断面のＳＥＭ写真である。 図１９Ｃは、図１９Ａ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１９Ｄは、図１９Ｂ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２０Ａは、実施例２に係る試料Ｇの断面のＳＥＭ写真である。 図２０Ｂは、実施例２に係る試料Ｇの他の断面のＳＥＭ写真である。 図２０Ｃは、図２０Ａ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２０Ｄは、図２０Ｂ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２１Ａは、実施例２に係る試料Ｈの断面のＳＥＭ写真である。 図２１Ｂは、実施例２に係る試料Ｈの他の断面のＳＥＭ写真である。 図２１Ｃは、図２１Ａ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２１Ｄは、図２１Ｂ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２２Ａは、実施例２に係る試料Ｉの断面のＳＥＭ写真である。 図２２Ｂは、実施例２に係る試料Ｉの他の断面のＳＥＭ写真である。 図２２Ｃは、図２２Ａ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２２Ｄは、図２２Ｂ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２４Ａ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２４Ｂ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２６Ａは、実施例３に係る試料Ｊの厚さ方向に平行な断面のＳＥＭ写真である。 図２６Ｂは、実施例３に係る試料Ｊの厚さ方向に平行な他の断面のＳＥＭ写真である。 図２６Ｃは、図２６Ａ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２６Ｄは、図２６Ｂ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２７Ａ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２７Ｂ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／（ｍ２・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）、ＳｉＯ２で～１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。なお、ＳｉＯ２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、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（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（Ｙ１－ｘ－ｙ－ｚＬｕｘＧｄｙＣｅｚ）３＋ａＡｌ５－ａＯ１２（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（Ｙ１－ｘ－ｙ－ｚＬｕｘＧｄｙＣｅｚ）３＋ａＡｌ５－ａＯ１２（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、ＳｉＯ２系化合物、Ａｌ２Ｏ３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、ＳｉＯ２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、ＳｉＯ２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４Ａ、図４Ｂは、高反射率層１４の構成例を示す垂直断面図である。図４Ａ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、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２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４Ｂ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、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ダイヤモンド（Ｃ）、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、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、Ａｌ２Ｏ３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ＳｉＯ２（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Ａｌ２Ｏ３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６Ａ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１００μｍ、蛍光体粒子１２ｂと封止部材１３の体積比を４０：６０とする。図６Ｂは、図６Ａ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部材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と封止部材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７Ａ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７Ｂ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、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ダイヤモンド（Ｃ）、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、又はＭｇＯからなる。ここで、Ａｌ２Ｏ３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）、Ｓｉ３Ｎ４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１０Ａ、図１０Ｂ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６０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、ＣａＡｌＳｉＮ３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１３Ａ、図１３Ｂ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１３Ｃ、図１３Ｄは、それぞれ図１３Ａ、図１３Ｂ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１３Ｃ、図１３Ｄ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（Ｙ１－ｚＣｅｚ）３Ａｌ５Ｏ１２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（Ｌｕ１－ｚＣｅｚ）３Ａｌ５Ｏ１２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、（Ｙ１－ｙ－ｚＧｄｙＣｅｚ）３Ａｌ５Ｏ１２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（Ｙ１－ｘ－ｚＬｕｘＣｅｚ）３Ａｌ５Ｏ１２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（Ｙ１－ｚＣｅｚ）３Ａｌ５Ｏ１２で表される組成を有する蛍光体粒子、組成式（Ｌｕ１－ｚＣｅｚ）３Ａｌ５Ｏ１２で表される組成を有する蛍光体粒子、（Ｙ１－ｙ－ｚＧｄｙＣｅｚ）３Ａｌ５Ｏ１２で表わされる組成を有する蛍光体粒子、組成式（Ｙ１－ｘ－ｚＬｕｘＣｅｚ）３Ａｌ５Ｏ１２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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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１０Ａ、図１０Ｂ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１４Ａ、図１４Ｂ～図１８Ａ、図１８Ｂ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１９Ａ、図１９Ｂ～図２２Ａ、図２２Ｂ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１４Ｃ、図１４Ｄ～図２２Ｃ、図２２Ｄは、それぞれ図１４Ａ、図１４Ｂ～図２２Ａ、図２２Ｂ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１４Ａ～図２２Ａ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１４Ｂ～図２２Ｂ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１４Ａ～図２２Ａ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１４Ｂ～図２２Ｂ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図２４Ａ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２４Ａ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＝（λｃ－λｆ）／（λｍ－λｆ）×（λｍ／λｃ）１／３が成り立つ。ここで、φはフィラーの体積充填率、λｆはフィラーの熱伝導率、λｍは樹脂の熱伝導率、λｃは塗料組成物の熱伝導率を示す。
　図２４Ｂ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２４Ａ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２４Ａ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２６Ａ、図２６Ｂ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２６Ｃ、図２６Ｄは、それぞれ図２６Ａ、図２６Ｂ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　図２７Ａ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２７Ａ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２７Ａ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２７Ａ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２７Ｂ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２７Ｂ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２７Ｂ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。
　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。
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、　６０…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る、
    　波長変換部材。
  2. 　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、
    　請求項１に記載の波長変換部材。
  3. 　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又は２に記載の波長変換部材。
  4. 　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、
    　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１～４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、
    　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ＳｉＯ２系化合物を主成分とする、
    　請求項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、
    　請求項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、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ダイヤモンド（Ｃ）、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、又はＭｇＯからなる、
    　請求項８に記載の波長変換部材。
  10. 　前記単結晶の蛍光体粒子の少なくとも一部が、組成式（Ｙ１－ｘ－ｙ－ｚＬｕｘＧｄｙＣｅｚ）３＋ａＡｌ５－ａＯ１２（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１～９のいずれか１項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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