(57)【要約】【課題】蛍光の広がりを抑制できる波長変換素子、光源装置、プロジェクター、及び波長変換素子の製造方法を提供する。【解決手段】波長変換素子は、複数の蛍光体粒子と、複数の蛍光体粒子のうち互いに隣り合う一方の蛍光体粒子と他方の蛍光体粒子とを結合するバインダーと、を有する蛍光体層と、蛍光体層が設けられる基板と、を備え、バインダーは、ガラスを含有し、バインダーは、一方の蛍光体粒子の表面の一部と他方の蛍光体粒子の表面の一部とを結合する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の蛍光体粒子と、前記複数の蛍光体粒子のうち互いに隣り合う一方の蛍光体粒子と他方の蛍光体粒子とを結合するバインダーと、を有する蛍光体層と、
前記蛍光体層が設けられる基板と、を備え、
前記バインダーは、ガラスを含有し、
前記バインダーは、前記一方の蛍光体粒子の表面の一部と前記他方の蛍光体粒子の表面の一部とを結合することを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換素子において、
前記複数の蛍光体粒子の体積の合計と前記バインダーの体積の合計とを合計した体積に対する前記バインダーの体積の割合は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする波長変換素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子に励起光を出射する光源と、を備えることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
波長変換素子の製造方法であって、
蛍光体粒子とガラスを含有するバインダーとを混合した混合物を調製する調製工程と、
前記混合物を基板に塗布する塗布工程と、
前記混合物を焼成する焼成工程と、を有し、
前記焼成工程における前記混合物の焼成温度は、前記ガラスの軟化点より１００℃以上高いことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【請求項５】
波長変換素子の製造方法であって、
蛍光体粒子とガラスを含有するバインダーとを混合した混合物を調製する調製工程と、
前記混合物を基板に塗布する塗布工程と、
前記混合物を焼成する焼成工程と、を有し、
前記焼成工程における前記ガラスの粘度は、１０６ｄＰａ・ｓ以下の値であることを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の波長変換素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする波長変換素子。
【請求項７】
請求項６に記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子に励起光を出射する光源と、を備えることを特徴とする光源装置。
【請求項８】
請求項３又は請求項７に記載の光源装置と、
前記光源装置から出射された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
前記光変調装置によって変調された光を投射する投射光学装置と、を備えることを特徴とするプロジェクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子、光源装置、プロジェクター、及び波長変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、入射される励起光によって励起され、励起光の波長より長い波長を有する蛍光を出射する波長変換素子が知られている。このような波長変換素子として、基材と、基材の表面に形成された反射層と、反射層上に形成された蛍光体層と、を備えた発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の発光素子では、蛍光体層は、複数の蛍光体粒子と、複数の蛍光体粒子を結合させるバインダーと、を有する。
バインダーは、例えば水ガラス等の無機材料の架橋体を含むものである。バインダーは、互いに隣り合う一の蛍光体粒子と他の一の蛍光体粒子とを結合するとともに、蛍光体粒子と反射層の表面とを結合する。蛍光体粒子は、外部から照射される励起光を吸収して蛍光を発する粒子状の蛍光体である。蛍光体粒子には、例えばＹＡＧ系材料の蛍光物質が含まれている。そして、特許文献１では、上記発光素子を有する光源装置が、プロジェクターに適用された例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１９７４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の蛍光体層では、複数の蛍光体粒子は、バインダー内に封入されている。換言すると、バインダーは、蛍光体粒子の表面全体を覆うように、蛍光体粒子の周囲に存在する。このため、蛍光体粒子から出射された蛍光は、バインダー内に入射され、バインダー内を伝播して、蛍光体層から出射される。蛍光体層から出射された蛍光は、光源装置から出射され、光学系を構成する反射型液晶パネルに入射される。
しかしながら、蛍光体層においてバインダー内を蛍光が伝播すると、蛍光体層の表面における蛍光の出射領域は、励起光の入射領域より大きくなる。そして、蛍光の出射領域が大きいと、光学系において液晶パネルに対する蛍光の入射効率が低下するおそれがある。すなわち、蛍光体粒子の表面全体がバインダーによって覆われていると、蛍光体層から蛍光が入射される光学系での蛍光の利用効率が低下するおそれがある。
このため、蛍光の広がりを抑制できる波長変換素子の構成が要望されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１態様に係る波長変換素子は、複数の蛍光体粒子と、前記複数の蛍光体粒子のうち互いに隣り合う一方の蛍光体粒子と他方の蛍光体粒子とを結合するバインダーと、を有する蛍光体層と、前記蛍光体層が設けられる基板と、を備え、前記バインダーは、ガラスを含有し、前記バインダーは、前記一方の蛍光体粒子の表面の一部と前記他方の蛍光体粒子の表面の一部とを結合することを特徴とする。
【０００７】
上記第１態様では、前記複数の蛍光体粒子の体積の合計と前記バインダーの体積の合計とを合計した体積に対する前記バインダーの体積の割合は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。
【０００８】
本発明の第２態様に係る光源装置は、上記波長変換素子と、前記波長変換素子に励起光を出射する光源と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第３態様に係る波長変換素子の製造方法は、蛍光体粒子とガラスを含有するバインダーとを混合した混合物を調製する調製工程と、前記混合物を基板に塗布する塗布工程と、前記混合物を焼成する焼成工程と、を有し、前記焼成工程における前記混合物の焼成温度は、前記ガラスの軟化点より１００℃以上高いことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第４態様に係る波長変換素子の製造方法は、蛍光体粒子とガラスを含有するバインダーとを混合した混合物を調製する調製工程と、前記混合物を基板に塗布する塗布工程と、前記混合物を焼成する焼成工程と、を有し、前記焼成工程における前記ガラスの粘度は、１０６ｄＰａ・ｓ以下の値であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第５態様に係る波長変換素子は、上記波長変換素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第６態様に係る光源装置は、上記波長変換素子と、前記波長変換素子に励起光を出射する光源と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第７態様に係るプロジェクターは、上記光源装置と、前記光源装置から出射された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置によって変調された光を投射する投射光学装置と、を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態におけるプロジェクターの構成を示す模式図。
【図２】一実施形態における光源装置の構成を示す模式図。
【図３】一実施形態における波長変換素子を励起光の入射側から見た平面図。
【図４】一実施形態における波長変換素子の断面を示す模式図。
【図５】一実施形態におけるバインダーによる蛍光体粒子の結合状態を示す模式図。
【図６】一実施形態における結合部の面積に対する光学系での明るさ及び光の広がりを示すグラフ。
【図７】一実施形態におけるガラス含有率と光学系効率との関係を示すグラフ。
【図８】一実施形態におけるガラス含有率が３０ｖｏｌ％であり、焼成温度が１０００℃である蛍光体層を示す画像。
【図９】一実施形態におけるガラス含有率が２０ｖｏｌ％であり、焼成温度が１０００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１０】一実施形態におけるガラス含有率が１０ｖｏｌ％であり、焼成温度が１０００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１１】一実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が１０００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１２】一実施形態におけるガラス含有率が３ｖｏｌ％であり、焼成温度が１０００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１３】一実施形態における波長変換素子の製造方法を示すフローチャート。
【図１４】一実施形態における焼成温度とガラスの粘度との関係を示すグラフ。
【図１５】一実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が７５０℃である蛍光体層を示す画像。
【図１６】一実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が８００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１７】一実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が８５０℃である蛍光体層を示す画像。
【図１８】一実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が９００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１９】一実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が９５０℃である蛍光体層を示す画像。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
［プロジェクターの概略構成］
図１は、本実施形態に係るプロジェクター１の構成を示す模式図である。
本実施形態に係るプロジェクター１は、後述する光源装置４から出射された光を変調して画像情報に応じた画像を形成する画像光を、スクリーン等の被投射面上に拡大投射する。プロジェクター１は、図１に示すように、外装を構成する外装筐体２と、外装筐体２内に配置される光源装置４及び光学装置３０と、を備える。なお、光源装置４及び光学装置３０の構成については、後に詳述する。この他、図示を省略するが、プロジェクター１は、プロジェクター１の動作を制御する制御装置、電子部品に電力を供給する電源装置、及び、冷却対象を冷却する冷却装置を備える。
【００１６】
［外装筐体の構成］
外装筐体２は、それぞれ図示しない天面部及び底面部と、正面部２１、背面部２２、左側面部２３及び右側面部２４とを有し、略直方体形状に形成されている。
正面部２１は、後述する投射光学装置３６の一部を露出させる開口部２１１を有しており、投射光学装置３６によって投射される画像光は、開口部２１１を通過する。また、正面部２１は、プロジェクター１内の冷却対象を冷却した冷却気体が外装筐体２の外部に排出される排気口２１２を有する。更に、右側面部２４は、外装筐体２外の気体を冷却気体として内部に導入する導入口２４１を有する。
【００１７】
［光学装置の構成］
光学装置３０は、均一化装置３１、色分離装置３２、リレー装置３３、画像形成装置３４、光学部品用筐体３５及び投射光学装置３６を備える。
均一化装置３１は、光源装置４から出射された光を均一化する。均一化装置３１によって均一化された光は、色分離装置３２及びリレー装置３３を経て、画像形成装置３４の後述する光変調装置３４３の変調領域を照明する。均一化装置３１は、２つのレンズアレイ３１１，３１２、偏光変換素子３１３及び重畳レンズ３１４を備える。
色分離装置３２は、均一化装置３１から入射される光を赤、緑及び青の各色光に分離する。色分離装置３２は、２つのダイクロイックミラー３２１，３２２と、ダイクロイックミラー３２１によって分離された青色光を反射させる反射ミラー３２３と、を備える。
【００１８】
リレー装置３３は、青色光の光路及び緑色光の光路より長い赤色光の光路に設けられ、赤色光の損失を抑制する。リレー装置３３は、入射側レンズ３３１、リレーレンズ３３３、反射ミラー３３２，３３４を備える。
なお、本実施形態では、赤色光の光路にリレー装置３３を設けているが、これに限らず、例えば他の色光より光路が長い色光を青色光とし、青色光の光路上にリレー装置３３を設ける構成としてもよい。
【００１９】
画像形成装置３４は、入射される赤、緑及び青の各色光を変調し、変調された各色光を合成して、投射光学装置３６によって投射される画像光を形成する。画像形成装置３４は、入射される各色光に応じて設けられる３つのフィールドレンズ３４１、３つの入射側偏光板３４２、３つの光変調装置３４３及び３つの出射側偏光板３４４と、１つの色合成装置３４５と、を備える。
光変調装置３４３は、光源装置４から出射された光を画像情報に応じて変調する。光変調装置３４３は、赤色光を変調する光変調装置３４３Ｒ、緑色光を変調する光変調装置３４３Ｇ、及び、青色光を変調する光変調装置３４３Ｂを含む。本実施形態では、光変調装置３４３は、透過型の液晶パネルによって構成されており、入射側偏光板３４２、光変調装置３４３及び出射側偏光板３４４によって液晶ライトバルブが構成される。
色合成装置３４５は、光変調装置３４３Ｂ，３４３Ｇ，３４３Ｒによって変調された各色光を合成して上記画像光を形成する。本実施形態では、色合成装置３４５は、クロスダイクロイックプリズムによって構成されているが、これに限らず、例えば複数のダイクロイックミラーによって構成することも可能である。
【００２０】
光学部品用筐体３５は、それぞれ上記した均一化装置３１、色分離装置３２、リレー装置３３及び画像形成装置３４を内部に収容する。なお、光学装置３０には、設計上の光軸である照明光軸Ａｘが設定されており、光学部品用筐体３５は、照明光軸Ａｘにおける所定位置に均一化装置３１、色分離装置３２、リレー装置３３及び画像形成装置３４を保持する。光源装置４及び投射光学装置３６は、照明光軸Ａｘにおける所定位置に配置される。
【００２１】
投射光学装置３６は、画像形成装置３４から入射される画像光を被投射面上に拡大投射する。すなわち、投射光学装置３６は、光変調装置３４３Ｂ，３４３Ｇ，３４３Ｒによって変調された光を投射する。投射光学装置３６は、例えば筒状の鏡筒内に複数のレンズが収納された組レンズとして構成される。
【００２２】
［光源装置の構成］
図２は、光源装置４の構成を示す模式図である。
光源装置４は、光変調装置３４３を照明する照明光ＬＴを均一化装置３１に出射する。光源装置４は、図２に示すように、光源用筐体ＣＡと、光源用筐体ＣＡ内にそれぞれ収容される光源部４１、アフォーカル光学素子４２、第１位相差素子４３、ホモジナイザー光学素子４４、偏光分離素子４５、第１集光素子４６、第２位相差素子４７、第２集光素子４８、拡散反射装置４９及び波長変換装置５と、を備える。
光源用筐体ＣＡは、塵埃等が内部に侵入しづらい密閉筐体である。
【００２３】
光源部４１、アフォーカル光学素子４２、第１位相差素子４３、ホモジナイザー光学素子４４、偏光分離素子４５と、第２位相差素子４７、第２集光素子４８及び拡散反射装置４９は、光源装置４に設定された照明光軸Ａｘ１上に配置されている。
波長変換装置５、第１集光素子４６及び偏光分離素子４５は、光源装置４に設定され、かつ、照明光軸Ａｘ１に直交する照明光軸Ａｘ２上に配置されている。照明光軸Ａｘ２は、図１に示すレンズアレイ３１１の位置にて、照明光軸Ａｘと一致する。換言すると、照明光軸Ａｘ２は、照明光軸Ａｘの延長線上に設定されている。
【００２４】
［光源部の構成］
光源部４１は、光を出射する光源４１１及びコリメーターレンズ４１４を備える。
光源４１１は、それぞれ発光素子としての複数の固体光源４１２と、支持部材４１３と、を備える。
固体光源４１２は、励起光であるｓ偏光の青色光Ｌ１ｓを出射する半導体レーザーである。青色光Ｌ１ｓは、例えば、ピーク波長が４４０ｎｍのレーザー光である。
支持部材４１３は、照明光軸Ａｘ１に直交する平面にそれぞれアレイ状に配置された複数の固体光源４１２を支持する。支持部材４１３は、熱伝導性を有する金属製部材である。
【００２５】
固体光源４１２から出射された青色光Ｌ１ｓは、コリメーターレンズ４１４によって平行光束に変換され、アフォーカル光学素子４２に入射される。
なお、本実施形態では、光源４１１は、偏光方向が同じ直線偏光光であるｓ偏光の青色光Ｌ１ｓを出射する構成である。しかしながら、これに限らず、光源４１１は、偏光方向が異なる直線偏光光である青色光を出射する構成としてもよい。この場合、第１位相差素子４３を省略できる。
【００２６】
［アフォーカル光学素子の構成］
アフォーカル光学素子４２は、光源部４１から入射される青色光Ｌ１ｓの光束径を調整して、第１位相差素子４３に入射させる。アフォーカル光学素子４２は、入射される光を集光するレンズ４２１と、レンズ４２１によって集光された光束を平行化するレンズ４２２とにより構成されている。
【００２７】
［第１位相差素子の構成］
第１位相差素子４３は、アフォーカル光学素子４２とホモジナイザー光学素子４４との間、より具体的には、レンズ４２２と、ホモジナイザー光学素子４４を構成するマルチレンズアレイ４４１との間の光路上に設けられている。第１位相差素子４３は、青色光Ｌ１ｓが入射する面内、すなわち照明光軸Ａｘ１に直交する平面に沿って回転可能に設けられている。第１位相差素子４３は、青色光Ｌ１ｓの波長４４６ｎｍに対する１／２波長板で構成されている。第１位相差素子４３の光学軸は、第１位相差素子４３に入射する青色光Ｌ１ｓの偏光軸と交差する。なお、第１位相差素子４３の光学軸は、第１位相差素子４３の進相軸及び遅相軸のうちのいずれであってもよい。
【００２８】
青色光Ｌ１ｓは、コヒーレントなｓ偏光である。青色光Ｌ１ｓは、もともとｓ偏光であるが、青色光Ｌ１ｓの偏光軸が第１位相差素子４３の光学軸と交差しているため、青色光Ｌ１ｓが第１位相差素子４３を透過することによって、ｓ偏光の一部がｐ偏光に変換される。このため、第１位相差素子４３を透過した青色光は、もともとのｓ偏光である青色光Ｌ１ｓと、ｐ偏光である青色光Ｌ２ｐとが所定の割合で混在した光となる。
なお、光源装置４は、第１位相差素子４３を回転させるモーターを備えていてもよい。
【００２９】
［ホモジナイザー光学素子の構成］
ホモジナイザー光学素子４４は、青色光Ｌ１ｓ，Ｌ２ｐの照度分布を均一化する。ホモジナイザー光学素子４４は、一対のマルチレンズアレイ４４１，４４２により構成されている。
【００３０】
［偏光分離素子の構成］
ホモジナイザー光学素子４４を通過した青色光Ｌ１ｓ，Ｌ２ｐは、偏光分離素子４５に入射する。
偏光分離素子４５は、プリズム型の偏光ビームスプリッターであり、入射される光に含まれるｓ偏光成分とｐ偏光成分とを分離する。具体的に、偏光分離素子４５は、ｓ偏光成分を反射させ、ｐ偏光成分を透過させる。また、偏光分離素子４５は、ｓ偏光成分及びｐ偏光成分のいずれの偏光成分であっても、所定波長以上の光を透過させる色分離特性を有する。従って、ｓ偏光の青色光Ｌ１ｓは、偏光分離素子４５にて反射され、第１集光素子４６に入射する。一方、ｐ偏光の青色光Ｌ２ｐは、偏光分離素子４５を透過して、第２位相差素子４７に入射する。
【００３１】
［第１集光素子の構成］
第１集光素子４６は、偏光分離素子４５にて反射された青色光Ｌ１ｓを波長変換装置５に集光する。また、第１集光素子４６は、波長変換装置５から入射される蛍光ＹＬを平行化する。図２の例では、第１集光素子４６は、２つのレンズ４６１，４６２によって構成されているが、第１集光素子４６を構成するレンズの数は問わない。
【００３２】
［波長変換装置の構成］
波長変換装置５は、光が入射されることによって励起され、入射された光の波長とは異なる波長を有する光を第１集光素子４６に出射する。換言すると、波長変換装置５は、入射された光の波長を変換する。
本実施形態では、波長変換装置５は、励起光である青色光Ｌ１ｓの入射に応じて、青色光Ｌ１ｓの波長より長い波長を有する蛍光ＹＬを出射する波長変換素子５１と、所定の回転軸である照明光軸Ａｘ２と平行な回転軸Ｒｘを中心として波長変換素子５１を回転させる回転部ＲＴとを備える。なお、波長変換素子５１の回転軸Ｒｘは、励起光である青色光Ｌ１ｓの入射方向に沿う回転軸である。
これらのうち、波長変換素子５１は、青色光Ｌ１ｓの入射側に蛍光ＹＬを出射する反射型の波長変換素子である。なお、蛍光ＹＬは、例えばピーク波長が５００〜７００ｎｍの光である。すなわち、蛍光ＹＬは、緑色光成分及び赤色光成分を含む。
このような波長変換素子５１の構成については、後に詳述する。
【００３３】
波長変換装置５から出射された蛍光ＹＬは、照明光軸Ａｘ２に沿って第１集光素子４６を通過した後、偏光分離素子４５に入射される。そして、蛍光ＹＬは、偏光分離素子４５を照明光軸Ａｘ２に沿って通過する。
【００３４】
［第２位相差素子及び第２集光素子の構成］
第２位相差素子４７は、偏光分離素子４５と第２集光素子４８との間に配置されている。第２位相差素子４７は、１／４波長板であり、偏光分離素子４５を通過したｐ偏光の青色光Ｌ２ｐは、第２位相差素子４７によって円偏光の青色光Ｌ２ｃに変換された後、第２集光素子４８に入射される。
【００３５】
［第２集光素子の構成］
第２集光素子４８は、第２位相差素子４７から入射される青色光Ｌ２ｃを拡散反射装置４９に集光する。また、第２集光素子４８は、拡散反射装置４９から入射される青色光Ｌ２ｃを平行化する。なお、第２集光素子４８を構成するレンズの数は、適宜変更可能である。
【００３６】
［拡散反射装置の構成］
拡散反射装置４９は、波長変換装置５から出射される蛍光ＹＬと同様の拡散角で、第２集光素子４８から入射された青色光Ｌ２ｃを、偏光分離素子４５に向けて拡散反射させる。拡散反射装置４９の構成として、入射された青色光Ｌ２ｃをランバート反射させる反射板と、反射板を照明光軸Ａｘ１と平行な回転軸を中心として回転させる回転装置とを備える構成を例示できる。光源装置４において、この種の拡散反射装置４９を用いて青色光Ｌ２ｃを拡散反射させることによって、均一な照度分布を有する青色光を得られる。
【００３７】
図２に示すように、拡散反射装置４９にて拡散反射された青色光Ｌ２ｃは、第２集光素子４８を通過した後、再び第２位相差素子４７に入射される。青色光Ｌ２ｃは、拡散反射装置４９にて反射される際に、回転方向が反対方向の円偏光に変換される。このため、第２集光素子４８から第２位相差素子４７に入射される青色光Ｌ２ｃは、第２位相差素子４７によって、偏光分離素子４５から第２位相差素子４７に入射されるｐ偏光の青色光Ｌ２ｃではなく、ｓ偏光の青色光Ｌ２ｓに変換される。そして、ｓ偏光の青色光Ｌ２ｓは、偏光分離素子４５にて反射されて、蛍光ＹＬとともに照明光軸Ａｘ２に沿って、上記した均一化装置３１に入射される。
【００３８】
［波長変換素子の構成］
図３は、波長変換素子５１を励起光の入射側から見た平面図である。図４は、波長変換素子５１の断面を模式的に示す図である。
波長変換素子５１は、励起光の波長とは異なる波長を有する光である蛍光を、励起光の入射側に出射する反射型の波長変換素子である。波長変換素子５１は、図３及び図４に示すように、基板５２、放熱シート５３及び蛍光体層５４を有する。なお、波長変換素子５１は、後述する製造方法によって製造される。
なお、以降の説明及び図においては、蛍光体層５４に入射される青色光Ｌ１ｓを、蛍光体層５４に含まれる蛍光体粒子を励起させる励起光と記載する。また、蛍光体層５４に対する励起光の入射方向を＋Ｚ方向とし、＋Ｚ方向とは反対方向を−Ｚ方向とする。
【００３９】
［基板の構成］
基板５２は、放熱シート５３及び蛍光体層５４を保持する保持部材である他、蛍光体層５４から伝達される熱を放熱する放熱部材でもある。基板５２は、図３に示すように、例えばアルミナや酸化亜鉛の少なくともいずれかを含む金属材料によって、−Ｚ方向から見て円板状に形成されている。基板５２は、回転部ＲＴによって回転軸Ｒｘを中心として、放熱シート５３及び蛍光体層５４とともに回転される。
基板５２は、図４に示すように、−Ｚ方向の面である第１面５２１と、＋Ｚ方向の面である第２面５２２と、を有する。
第１面５２１は、蛍光体層５４と対向する対向面である。
第２面５２２は、第１面５２１とは反対側の面である。第２面５２２には、放熱シート５３が接着されており、蛍光体層５４で発生した熱は基板５２を介して、放熱シート５３に伝えられ、伝えられた熱は放熱シート５３全体に伝えられる。放熱シート５３は、周囲の気体との接触面積を拡大することによって、基板５２に伝達された熱の放熱効率を高めている。放熱シート５３は、例えばアルミニウムやグラファイト等により構成される。
基板５２は、サブミクロンオーダーのアルミナ紛体を低温で焼成して内部に微小な気孔を体積比で２０％程度含んだ焼結体であり、蛍光体層５４から入射される光を、蛍光体層５４側に反射する。
【００４０】
［蛍光体層の構成］
蛍光体層５４は、基板５２に対して励起光の入射側である−Ｚ方向に設けられている。蛍光体層５４は、入射される励起光を蛍光に変換して出射する。換言すると、蛍光体層５４は、入射される励起光を波長変換して、励起光の波長より長い波長を有する光である蛍光を生成して出射する。蛍光体層５４は、図３に示すように、−Ｚ方向から見て、波長変換素子５１の回転軸Ｒｘを中心とする円環状に形成されている。
【００４１】
蛍光体層５４は、図４に示すように、−Ｚ方向の面である第１面５４１と、＋Ｚ方向の面であり、第１面５４１とは反対側の面である第２面５４２と、を有する。
第１面５４１は、励起光が入射される入射面であり、蛍光が出射される出射面である。
第２面５４２は、基板５２と対向する対向面である。
【００４２】
図５は、バインダーＢＮによって結合された蛍光体粒子ＰＲ（ＰＲ１，ＰＲ２）を示す模式図である。
蛍光体層５４は、複数の蛍光体粒子と、ガラスを含有するバインダーとを含み、複数の蛍光体粒子がバインダーによって互いに結合された構成を有する。例えば図５に示すように、隣り合う２つの蛍光体粒子ＰＲ（ＰＲ１，ＰＲ２）は、それぞれの表面の一部がバインダーＢＮによって結合されることによって、互いに結合されている。
蛍光体粒子ＰＲは、蛍光体材料と、発光中心となる賦活剤とを含有する粒子である。賦活剤としては、例えばＣｅ、Ｅｕ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｇｄ及びＧａが挙げられる。蛍光体材料としては、ＹＡＧ蛍光体材料を採用できる。しかしながら、これに限らず、蛍光体材料は、ＹＡＧ蛍光体材料に代えて、ＹＡＧ蛍光体におけるＹがＬｕ、Ｇｄ又はＧａで置換された蛍光体材料を採用してもよく、ＫＳＦ蛍光体材料、又は、ＳＣＡＳＮ蛍光体材料等を採用してもよい。更に、蛍光体材料は、複数の蛍光体材料の混合物であってもよい。
バインダーとしては、本実施形態では、ホウケイ酸ガラスが用いられているが、リン酸塩系ガラスであってもよい。
なお、蛍光体層５４の内部には、微小な空隙が設けられている。このような空隙が含まれていることにより、蛍光体層５４内部での蛍光の広がりを抑え、蛍光体層５４からの蛍光を小さい範囲で取り出すことによって、光学系の集光効率が高められる。
【００４３】
以下、蛍光体粒子ＰＲにおいてバインダーＢＮとの結合部を、結合部ＢＰとする。例えば、蛍光体粒子ＰＲ１におけるバインダーＢＮとの結合部を、結合部ＢＰ（ＢＰ１）とし、蛍光体粒子ＰＲ２におけるバインダーＢＮとの結合部を結合部ＢＰ（ＢＰ２）とする。
【００４４】
［蛍光体粒子における結合部の面積と光学系での明るさとの関係］
本実施形態では、蛍光体層５４から出射された蛍光を含む照明光が入射される光学系である光学装置３０を透過する光の明るさを高めるために、結合部ＢＰの面積は、蛍光体粒子ＰＲの表面積の１０％以下の値に設定されている。詳述すると、結合部ＢＰの面積は、蛍光体粒子ＰＲの表面積の３％以上、５％以下の範囲内の値に設定されている。これは、以下の実験結果によるものである。
【００４５】
図６は、蛍光体粒子ＰＲの表面積に占める結合部ＢＰの面積の割合に対する光学装置３０における光学系での明るさ及び光の広がりを示すグラフである。
発明者は、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合を変化させ、蛍光体層５４から出射される光の広がり、及び、光学装置３０における光学系での明るさを測定する実験を行った。なお、ここでいう光学系での明るさは、光変調装置３４３に集光可能な光量を示している。また、光の広がりは、蛍光体層５４の第１面５４１において、励起光の入射領域の面積に対する蛍光の出射領域の面積の割合である。以下の説明では、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合を、面積割合と略す。
蛍光体層５４から出射される光の広がりは、図６に一点鎖線によって示されるように、面積割合が大きいほど大きくなった。すなわち、蛍光体層５４から出射される光の広がりは、結合部ＢＰの面積が大きいほど大きくなった。
【００４６】
光学系での明るさは、図６に実線によって示されるように、面積割合が小さいほど高くなるわけではなく、光学系での明るさには、最大値（最高値）があることが分かった。
詳述すると、面積割合が１０％以下の範囲では、光学系での明るさは、面積割合が大きくなるに従って高くなった後に低くなった。そして、光学系での明るさの最大値は、面積割合が３％以上、５％以下の範囲内にあるときに示されることが分かった。
一方、面積割合が１０％を超える範囲では、光学系での明るさは、面積割合が０％であるときより低くなり、面積割合が大きいほど低くなった。
すなわち、光学系での明るさは、面積割合が１０％以下であるときに０％であるときよりも高くなり、面積割合が３％以上、５％以下の範囲内にあるときに最大となることが分かった。
【００４７】
このように、光学系での明るさが高くなるときの面積割合の範囲が存在することは、以下の理由によると考えられる。
蛍光体粒子ＰＲの屈折率は、約１．８である。これに対し、バインダーＢＮを構成するホウケイ酸ガラスの屈折率は、約１．５である。
このことから、蛍光体粒子ＰＲの内部にて生成されて結合部ＢＰに入射された蛍光は、結合部ＢＰからバインダーＢＮを伝わって、隣り合う蛍光体粒子ＰＲ内に進行する。
一方、蛍光体層５４の内部には空隙が設けられていることから、蛍光体粒子ＰＲの外面において結合部ＢＰ以外の領域は、空気と接している。このため、フレネルの式に従い、蛍光体粒子ＰＲの内部にて生成されて、蛍光体粒子ＰＲの外面において結合部ＢＰ以外の領域に入射された蛍光は、屈折して大部分が蛍光体粒子ＰＲの外部に出射されて一部が内部に反射するか、或いは、蛍光体粒子ＰＲ内部に全反射される。
【００４８】
面積割合が大きい場合、結合部ＢＰに入射される蛍光の光量が多くなる。すなわち、面積割合が大きい場合、結合部ＢＰを介してバインダーＢＮを伝わる蛍光の光量が多くなる。この場合、蛍光体粒子ＰＲの屈折率とバインダーＢＮの屈折率との差が小さく、蛍光体粒子ＰＲとバインダーＢＮとの界面での屈折が小さいため、蛍光が周辺の蛍光体粒子ＰＲに広がりやすくなる。このため、蛍光体層５４の第１面５４１から外部に、大きな広がりの光源として蛍光が出ていく。これにより、光学系である光学装置３０の光変調装置３４３に、蛍光体層５４から出射された蛍光を集光しにくくなる。すなわち、この場合には、光学系での明るさが低くなる。
【００４９】
面積割合が小さい場合、蛍光体粒子ＰＲの内部にて生成された蛍光は、蛍光体粒子ＰＲの外面において結合部ＢＰ以外の領域、すなわち、空気との界面に入射されやすくなる。このため、蛍光体粒子ＰＲと空気との界面にて屈折されて蛍光体粒子ＰＲから出射される蛍光の光量、及び、全反射される蛍光の光量が多くなることから、周辺の広範囲の蛍光体粒子ＰＲに蛍光が広がることが抑制され、蛍光体層５４の第１面５４１から外部に、小さな広がりの光源として蛍光が出ていく。このような蛍光は、光変調装置３４３に集光しやすい。すなわち、この場合には、光学系での明るさが高くなる。
【００５０】
一方、面積割合が、例えば１％以下の値のような非常に小さい値である場合、蛍光が蛍光体粒子ＰＲの内部に閉じ込められやすくなる。この場合には、空気との界面での蛍光の反射が繰り返されやすくなって、蛍光の光路長が大きくなる。このように、蛍光体粒子ＰＲ内を蛍光が何度も通ることで、自己吸収が生じやすくなる。自己吸収とは、蛍光体の発光波長が蛍光体の吸収波長と部分的に重なっているために、蛍光体が蛍光を吸収して発熱する現象である。このような自己吸収が生じると、蛍光体層５４から出射される蛍光の光量が減少し、ひいては、光学系での明るさが低くなる。
【００５１】
他方、蛍光体粒子ＰＲにおける空気との界面での反射及び屈折の頻度が高くなると、蛍光体層５４の外部から照射される励起光が、蛍光体粒子ＰＲの表面、或いは、蛍光体粒子ＰＲの内部にて反射されやすくなる。蛍光に変換されることなく、蛍光体層５４の外部に放射される励起光の光量が大きくなる。すなわち、励起光の後方散乱（バックスキャッタ）が生じやすくなる。この場合には、蛍光に変換される励起光の光量が減少することによって、蛍光体層５４から出射される蛍光の光量が減少し、ひいては、光学系での明るさが低くなり得る。
【００５２】
このような考察から、光学系での明るさを高くするためには、面積割合は、１０％以下の値であることが好ましく、３％以上、５％以下の値であることがより好ましいことが分かった。
【００５３】
［蛍光体粒子におけるバインダーとの結合部の大きさ］
本実施形態では、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合を１０％以下にするために、結合部ＢＰの大きさが以下の大きさになるように、蛍光体層５４を作製している。なお、以下の説明では、図５に示すように、バインダーＢＮによって結合される蛍光体粒子ＰＲ１，ＰＲ２の各中心Ｃ１，Ｃ２を結ぶ仮想線ＶＬに直交し、かつ、互いに直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とする。
【００５４】
本実施形態では、結合部ＢＰ１のＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ１の直径Ｄ１の１／４以下とされ、図示を省略するが、結合部ＢＰ１のＸ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ１の直径Ｄ１の１／４以下とされている。換言すると、結合部ＢＰ１のＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ１のＹ軸における大きさの１／４以下とされ、図示を省略するが、結合部ＢＰ１のＸ軸における寸法を、蛍光体粒子ＰＲ１のＸ軸における大きさの１／４以下とされている。
同様に、結合部ＢＰ２のＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ２の直径Ｄ２の１／４以下とされ、図示を省略するが、結合部ＢＰ２のＸ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ２の直径Ｄ２の１／４以下とされている。換言すると、結合部ＢＰ２のＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ２のＹ軸における大きさの１／４以下とされ、図示を省略するが、結合部ＢＰ２のＸ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ２のＸ軸における大きさの１／４以下とされている。
このように、結合部ＢＰの寸法が上記の大きさであることにより、上記割合が１０％以下の値となり、光学系での明るさを高くすることができる。
【００５５】
［計算による結合部の大きさ］
光学系での明るさを高める上記面積割合は、蛍光体粒子ＰＲの直径に基づく計算結果からも裏付けられる。
蛍光体層５４に含まれる蛍光体粒子ＰＲを球状と仮定した場合、半径Ｒの蛍光体粒子ＰＲの表面積は、４π・Ｒ２である。
一方、粒径が略揃った球形の蛍光体粒子ＰＲが密に配列されている場合、単位体積当たりの蛍光体粒子ＰＲの充填率は、一般的に６０〜７５％である。この場合、１つの蛍光体粒子ＰＲが接する他の蛍光体粒子ＰＲの数は、８〜１２である。
【００５６】
１つの蛍光体粒子ＰＲが接する他の蛍光体粒子ＰＲの数を８と仮定し、バインダーＢＮを、厚みｔで半径ｒの円柱と仮定した場合、結合部ＢＰの総面積は、８π・ｒ２である。なお、バインダーＢＮの厚みは、図５に示した仮想線ＶＬに沿う寸法である。また、バインダーＢＮの厚みは、蛍光体粒子ＰＲの１／１０以下が好適である。
これらのことから、上記面積割合は、８π・ｒ２／（４π・Ｒ２）となる。すなわち、上記面積割合は、２ｒ２／Ｒ２となる。
【００５７】
蛍光体粒子ＰＲの半径Ｒを１２μｍと仮定し、蛍光体粒子ＰＲの表面積に占める結合部ＢＰの割合を、上記した実験結果から５％（＝０．０５）と仮定した場合、結合部ＢＰの半径ｒは、略１．８９μｍとなる。すなわち、蛍光体粒子ＰＲにおける結合部ＢＰの形状を円とした場合の結合部ＢＰの半径ｒは、略２μｍとなり、結合部ＢＰの直径は、略４μｍとなる。また、１つの蛍光体粒子ＰＲが接する他の蛍光体粒子ＰＲの数を１２と仮定すれば、結合部ＢＰの半径ｒは、略３μｍとなり、結合部ＢＰの直径は、略６μｍとなる。よって、結合部ＢＰの半径ｒは、略２〜３μｍであり、結合部ＢＰの直径は、略４〜６μｍである。
このような計算によって求められる結合部ＢＰの直径は、上記仮定に基づく蛍光体粒子ＰＲの直径２４μｍの１／４以下の値である。換言すると、結合部ＢＰのＸ軸及びＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下の値である。
以上のように、蛍光体粒子ＰＲの直径に対して結合部ＢＰの寸法を上記した大きさにすることによって、上記面積割合を１０％以下にすることができ、ひいては、光学系での明るさを高くできる。
このような結合部ＢＰの大きさは、詳しくは後述するが、蛍光体層５４を製造する際の温度を調整することによって実現できる。これについては、波長変換素子５１の製造方法にて説明する。
【００５８】
［蛍光体層におけるガラス含有率］
図７は、蛍光体層５４のガラス含有率と光学系効率との関係を示すグラフである。
なお、ガラス含有率は、蛍光体層５４においてバインダーＢＮの体積割合（ｖｏｌ％）により表される。具体的に、ガラス含有率は「１００＊ガラスの体積／（ガラスの体積＋蛍光体粒子の体積）」であり、空隙の体積は含まれていない。
すなわち、ここでいうガラス含有率は、作製後の波長変換素子５１の実測値ではなく、後述する波長変換素子５１の製造工程におけるペースト調製工程Ｓ１及び蛍光体混合工程Ｓ２（図１３参照）でのバインダーＢＮ及び蛍光体粒子ＰＲの投入量の体積割合に基づく値である。
【００５９】
一方、光学系効率は、「蛍光体層５４から出射されて光学系である光学装置３０を透過した後、投射光学装置３６から出射した光の光量／蛍光体層５４に照射された励起光の光量」である。このため、光学系効率は、「蛍光体層５４から出射されて光学装置３０に入射した光の光量／蛍光体層５４に照射された励起光の光量」ではなく、「蛍光体層５４から出射された光の光量／蛍光体層５４に照射された励起光の光量」により示される波長変換効率でもない。
すなわち、光学系効率は、エテンデューを含んだ効率であり、プロジェクター１の光学装置３０における光利用効率と言い換えることができる。
【００６０】
図７に示されるように、本実施形態に係る蛍光体層５４において、ガラス含有率が０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下の範囲内では、ガラス含有率が０ｖｏｌ％であるときに比べて、光学系効率が高くなっている。そして、ガラス含有率が１０ｖｏｌ％であると、光学系効率は、ガラス含有率が０ｖｏｌ％であるときと略同じ値となる。
ガラス含有率が１０ｖｏｌ％を超えると、ガラス含有率が０ｖｏｌ％であるときに比べて、光学系効率が低下する。これは、上記のように、蛍光体粒子ＰＲとバインダーＢＮとの界面にて、蛍光が反射及び屈折をすることによる損失は低下する一方で、蛍光が蛍光体層５４中を広がり、蛍光が蛍光体層５４から出射される際の光の広がりが大きくなり、光学系である光学装置３０にて利用できる光量が低下して、測定値の差として表れたものと考えられる。また、０〜１０％との間でピークを示すのは、バインダーＢＮが極端に少ないと、蛍光体粒子ＰＲと空隙（空気）との界面にて、励起光が何回も反射及び屈折を繰り返すことによって、当該励起光が蛍光体を励起する前に、蛍光体層５４から放出されてしまうことによるものと考えられる。
【００６１】
図８は、ガラス含有率が３０ｖｏｌ％であり、蛍光体層の焼成温度が１０００℃である蛍光体層をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）により観察した際の画像である。以下、ＳＥＭによって観察される画像をＳＥＭ画像と略す。
図９は、ガラス含有率が２０ｖｏｌ％であり、蛍光体層の焼成温度が１０００℃である蛍光体層のＳＥＭ画像である。図１０は、ガラス含有率が１０ｖｏｌ％であり、蛍光体層の焼成温度が１０００℃である蛍光体層のＳＥＭ画像である。図１１は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、蛍光体層の焼成温度が１０００℃である蛍光体層のＳＥＭ画像である。図１２は、ガラス含有率が３ｖｏｌ％であり、蛍光体層の焼成温度が１０００℃である蛍光体層のＳＥＭ画像である。
【００６２】
ガラス含有率が３０ｖｏｌ％及び２０ｖｏｌ％である蛍光体層では、図８及び図９に示すように、全ての蛍光体粒子ＰＲの表面がバインダーＢＮによって略完全に覆われている。特に、図８に示されるガラス含有率が３０ｖｏｌ％である蛍光体層では、各蛍光体粒子ＰＲはバインダーＢＮの中に埋没されている。このように蛍光体粒子ＰＲが、ホウケイ酸ガラスであるバインダーＢＮによって覆われると、上記のように、蛍光体粒子ＰＲにて生成された蛍光がバインダーＢＮを伝播しやすくなり、蛍光体層から出射される光の広がりが大きくなって、光学系効率が低下する。
【００６３】
これに対し、ガラス含有率が１０ｖｏｌ％、５ｖｏｌ％及び３ｖｏｌ％である蛍光体層では、図１０〜図１２に示すように、バインダーＢＮは、隣り合う蛍光体粒子ＰＲの間に設けられ、蛍光体粒子ＰＲは、バインダーＢＮによって完全には覆われていない。特に、ガラス含有率が５ｖｏｌ％及び３ｖｏｌ％である蛍光体層では、図１１及び図１２に示すように、バインダーＢＮは、隣り合う蛍光体粒子ＰＲの間にのみ設けられ、蛍光体粒子ＰＲの表面は、ほぼ露出されている。
このように、バインダーＢＮによって、隣り合う蛍光体粒子ＰＲが表面の一部にて結合され、他の部分が露出されていることにより、蛍光体層から出射される光の広がりが小さくなり、光学系効率が高められる。
従って、ガラス含有率は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下の範囲内の値であることにより、ガラス含有率が０ｖｏｌ％のとき、及び、ガラス含有率が１０ｖｏｌ％より大きい場合に比べて、光学系効率を高められる蛍光体層を構成できる。
【００６４】
［波長変換素子の製造方法］
図１３は、波長変換素子５１の製造方法を示すフローチャートである。
上記した蛍光体層５４を含む波長変換素子５１の製造方法について、説明する。
波長変換素子５１の製造方法は、図１３に示すように、順に実施されるペースト調製工程Ｓ１、蛍光体混合工程Ｓ２、印刷版作成工程Ｓ３、塗布工程Ｓ４、乾燥工程Ｓ５、焼成工程Ｓ６及び冷却工程Ｓ７を含む。すなわち、以下に示す波長変換素子５１の製造方法は、本発明の製造方法を含む。
【００６５】
ペースト調製工程Ｓ１及び蛍光体混合工程Ｓ２は、調製工程に相当する。
ペースト調製工程Ｓ１は、焼成後にバインダーＢＮとなるバインダー構成物と、エチルセルロース等の樹脂と、バインダー構成物及び樹脂を溶かす溶剤とを混合して、ガラスペーストを調製する工程である。なお、樹脂は、ペーストに粘性を付与するためのものである。また、バインダー構成物としては、例えばシリカが６０％以上含まれるホウケイ酸ガラスを直径１μｍ以下に砕いたものが挙げられる。
蛍光体混合工程Ｓ２は、調製されたガラスペースト中にＹＡＧ蛍光体を混合した混合ペーストを調製する工程である。ＹＡＧ蛍光体とバインダー構成物であるホウケイ酸ガラスとの割合は、体積比で９８：２〜９２：８の範囲内の割合とする。なお、当該範囲は、９８：２及び９２：８を含む範囲である。より好ましくは、ＹＡＧ蛍光体とホウケイ酸ガラスとの割合は、体積比で９７：３〜９５：５の範囲内の割合とする。当該範囲は、９７：３及び９５：５を含む範囲である。このようにＹＡＧ蛍光体とホウケイ酸ガラスとの割合を調整することによって、ガラス含有率を上記範囲内の値に設定できる。
【００６６】
印刷版作成工程Ｓ３は、円形の形状に印刷が抜けるように印刷版を作製する。
塗布工程Ｓ４は、作製された印刷版を用いて、円板形状の反射板上に、蛍光体混合工程Ｓ２にて調製された混合ペーストを厚さ８０μｍで印刷塗布する。反射板は、内部に反射用の微小気孔が設けられた基板５２である。
乾燥工程Ｓ５では、塗布された混合ペーストを１００℃程度で短時間乾燥させる。
【００６７】
焼成工程Ｓ６では、乾燥された混合ペーストを、焼成炉にて１０００℃まで１０℃／分の割合で昇温しつつ、短時間焼成する。焼成工程Ｓ６にて混合ペーストを焼成すると、混合ペーストに含まれていた樹脂及び溶剤の略全てが蒸発する。なお、焼成工程Ｓ６での焼成温度については、後に詳述する。
冷却工程Ｓ７では、焼成された混合ペーストを冷却する。
以上の各工程Ｓ１〜Ｓ７を含む製造方法によって、上記面積割合及びガラス含有率が０％より大きく、１０％以下である蛍光体層５４を有する波長変換素子５１が製造される。
【００６８】
［焼成工程での焼成温度とガラスの粘度との関係］
図１４は、焼成温度とガラスの粘度との関係を示すグラフである。
ガラスの粘度は、図１４に示すように、温度が高くなるに従って低下し、ガラスの粘性による力は、粘度が小さくなるに従って弱くなる。そして、ガラスが自重で顕著に軟化変形し始める温度であり、粘度が約１０７．６ｄＰａ・ｓとなる温度である軟化点を７００℃とすると、上記焼成工程Ｓ６の焼成温度を軟化点＋１００℃である８００℃以上にすることにより、ガラスの粘度は、１０６ｄＰａ・ｓ（＝１０６Ｐ）以下となる。
【００６９】
以下、ガラス含有率が５ｖｏｌ％である混合ペーストを各焼成温度で焼成して作製された蛍光体層のＳＥＭ画像を以下に示す。
すなわち、図１５は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、７５０℃で焼成されて作製された蛍光体層を示すＳＥＭ画像である。図１６は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、８００℃で焼成されて作製された蛍光体層を示すＳＥＭ画像である。図１７は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、８５０℃で焼成されて作製された蛍光体層を示すＳＥＭ画像である。図１８は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、９００℃で焼成されて作製された蛍光体層を示すＳＥＭ画像である。図１９は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、９５０℃で焼成されて作製された蛍光体層を示すＳＥＭ画像である。
なお、上記のように、図１１には、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、１０００℃で焼成されて作製された蛍光体層のＳＥＭ画像が示されている。
【００７０】
ガラスの軟化点に近い７５０℃にて焼成された蛍光体層では、図１５に示すように、蛍光体粒子ＰＲの直径に対する結合部ＢＰの大きさは、上記と同様である。すなわち、蛍光体粒子ＰＲの直径に対する結合部ＢＰの大きさは、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下である。しかしながら、バインダーＢＮが粒状となっている他、表面が滑らかでないことから、バインダーＢＮに入射した蛍光及び励起光が散乱しやすい。蛍光及び励起光の散乱が多くなると、蛍光の光路長が大きくなり、蛍光の光路長が増えると、上記のように、蛍光体粒子ＰＲによる自己吸収の発生頻度が増加すること、及び、励起光が蛍光体粒子ＰＲを励起せずに蛍光体層５４から外部に反射してしまうことにより、蛍光の光量が減少する。
このため、７５０℃で焼成された蛍光体層では、蛍光体層から出射される蛍光の光量が減少し、上記した光学系効率が低下しやすい。
【００７１】
これに対し、８００℃にて焼成された蛍光体層では、図１６に示すように、蛍光体粒子ＰＲに対する結合部ＢＰの大きさは、上記と同様である。すなわち、蛍光体粒子ＰＲの直径に対する結合部ＢＰの大きさは、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下である。しかしながら、８００℃にて焼成された蛍光体層での結合部ＢＰの大きさは、７５０℃にて焼成された蛍光体層での結合部ＢＰの大きさよりも小さくなる。この他、焼成温度が軟化点より１００℃高く、粘度が十分に低いことから、バインダーＢＮの表面が滑らかになっており、バインダーＢＮに入射した蛍光が散乱しにくい。また、図１４に示すように、焼成温度が８００℃である場合には、ガラスの粘度は１０６ｄＰａ・ｓ（＝１０６Ｐ）以下となり、粘度が十分に低いため、バインダーＢＮの表面が滑らかになっており、バインダーＢＮに入射した蛍光が散乱しにくい。このため、７５０℃で焼成された蛍光体層に対し、蛍光体粒子ＰＲによる自己吸収の発生が抑制され、蛍光の光量の低下が抑制される。
【００７２】
このようなことは、図１７〜図１９に示す８５０℃、９００℃及び９５０℃にて焼成された蛍光体層、並びに、図１１に示した１０００℃で焼成された蛍光体層でも、同様のことが言える。すなわち、焼成温度が高くなるに従ってガラスの粘度は低くなることから、結合部ＢＰの大きさが小さくなる他、結合される蛍光体粒子ＰＲ間を結ぶ方向の寸法であるバインダーＢＮの厚みも小さくなる。更に、蛍光体層におけるバインダーＢＮの表面が、より平滑になり、蛍光の散乱が一層抑制される。１０００℃を超える温度で焼成された蛍光体層でも同様と考えられる。
特に、焼成温度が９００℃以下となると、粘度は１０５ｄＰａ・ｓ以下となり、ガラスの流動性が高まり、バインダーＢＮは流線型となって隣り合う蛍光体粒子ＰＲとで接着されている光学的にも熱伝導的にも望ましい状態となる。更に、焼成温度が１０００℃となると、粘度は１０４ｄＰａ・ｓとなり、ほぼ完全な流動性での接着状態となっていることが図１１よりわかる。
【００７３】
一方で、上記焼成工程Ｓ６での焼成温度を１１００℃以上にすると、蛍光体の賦活剤であるＣｅイオンが酸化されて失活する。このため、製造工程の点で言えば、焼成工程Ｓ６での焼成温度は、８００℃以上、１１００℃以下（軟化点よりも１００℃以上、４００℃以下）が、より好ましい。このうち、焼成工程Ｓ６での焼成温度が９００℃以上、１１００℃以下（軟化点よりも２００℃以上、４００℃以下）であれば、粘度１０５ｄＰａ・ｓ以下を好適に実現できる。更に、焼成工程Ｓ６での焼成温度が９５０℃以上、１０５０℃以下（軟化点よりも２５０℃以上、３５０℃以下）であることが、より望ましい。これは、粘度１０４ｄＰａ・ｓを実現する温度であり、蛍光体層がより高発光効率であり、光学装置３０を含めての上記光学系効率が高い。
【００７４】
［実施形態の効果］
以上説明した本実施形態に係るプロジェクター１及び波長変換素子５１の製造工程によれば、以下の効果を奏することができる。
プロジェクター１は、光源装置４と、光源装置４から出射された光を画像情報に応じて変調する光変調装置３４３（３４３Ｂ，３４３Ｇ，３４３Ｒ）と、光変調装置３４３によって変調された光を投射する投射光学装置３６と、を備える。光源装置４は、励起光を出射する光源４１１と、励起光を波長変換して、励起光の波長より長い波長を有する蛍光を生成する波長変換素子５１と、を備える。波長変換素子５１は、複数の蛍光体粒子ＰＲと、複数の蛍光体粒子ＰＲのうち互いに隣り合う一方の蛍光体粒子ＰＲ１と互いに隣り合う他方の蛍光体粒子ＰＲ２とを結合するバインダーＢＮと、を有する蛍光体層５４と、蛍光体層５４が設けられる基板５２と、を備える。バインダーＢＮは、ガラスを含有し、バインダーＢＮは、一方の蛍光体粒子ＰＲ１の表面の一部と他方の蛍光体粒子ＰＲ２の表面の一部とを結合する。
【００７５】
このような構成によれば、バインダーＢＮは、蛍光体粒子ＰＲの表面の全てに接合するのではなく、蛍光体粒子ＰＲにおける表面の一部にのみ接合する。このことから、蛍光体粒子ＰＲの表面においてバインダーＢＮと接合される結合部ＢＰの面積を小さくすることができる。換言すると、蛍光体粒子ＰＲの表面において空隙（空気）と接する領域の面積を大きくできる。これにより、バインダーＢＮを伝播する蛍光の光量を低下させることができるので、蛍光体層５４、ひいては、波長変換素子５１から出射される光の広がりを小さくすることができる。従って、光学系である光学装置３０での明るさを高めることができ、上記光学系効率を高めることができる。
【００７６】
蛍光体層５４の作製時において、蛍光体粒子ＰＲの体積の合計とバインダーＢＮの体積の合計とを合計した体積に対するバインダーＢＮの体積の割合は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下である。すなわち、蛍光体層５４の作製時に調製される混合ペーストにおけるガラス含有率は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下である。
このような構成によれば、上記したように、蛍光体粒子ＰＲの表面においてバインダーＢＮとの接合される結合部ＢＰの面積を小さくすることができる。これにより、バインダーＢＮ内を伝播する蛍光の光量を小さくすることができ、蛍光体層５４、ひいては、波長変換素子５１から出射される蛍光の広がりを小さくすることができる。従って、光学系である光学装置３０での明るさを高めることができ、上記光学系効率を高めることができる。
【００７７】
波長変換素子５１の製造方法は、ガラスを含有するバインダーＢＮと蛍光体粒子ＰＲとを混合した混合物である混合ペーストを調製する調製工程としてのペースト調製工程Ｓ１及び蛍光体混合工程Ｓ２と、混合ペーストを基板５２に塗布する塗布工程Ｓ４と、混合ペーストを焼成する焼成工程Ｓ６と、を含む。そして、焼成工程Ｓ６における混合ペーストの焼成温度は、バインダーＢＮに含まれるガラスの軟化点より１００℃以上高い。なお、上記の例では、ガラスとして、ホウケイ酸ガラスが用いられている。
このような製造方法によれば、混合ペーストの焼成温度をガラスの軟化点より１００℃以上高くすることにより、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合が１０％以下であり、結合部ＢＰのＸ軸及びＹ軸における寸法が蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下である蛍光体層５４を有する波長変換素子５１を製造できる。このため、バインダーＢＮに入射した蛍光の散乱を抑制できる他、蛍光体粒子ＰＲによる自己吸収の発生を抑制でき、蛍光の光量低下が抑制された波長変換素子５１を製造できる。そして、このような波長変換素子５１を光源装置４が備えることによって、光学装置３０での光利用効率である光学系効率を高めることができる光源装置４を構成できる。
【００７８】
波長変換素子５１の製造方法は、ガラスを含有するバインダーＢＮと蛍光体粒子ＰＲとを混合した混合物である混合ペーストを調製する調製工程としてのペースト調製工程Ｓ１及び蛍光体混合工程Ｓ２と、混合ペーストを基板５２に塗布する塗布工程Ｓ４と、混合ペーストを焼成する焼成工程Ｓ６と、を含む。そして、焼成工程Ｓ６におけるガラスの粘度は１０６ｄＰａ・ｓ以下である。なお、上記の例では、ガラスとして、ホウケイ酸ガラスが用いられている。
このような製造方法によれば、焼成工程Ｓ６における混合ペーストの焼成温度をガラスの軟化点より１００℃以上高い温度とした場合と同様に、ガラスの粘度を１０６ｄＰａ・ｓ以下にすることにより、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合が１０％以下であり、結合部ＢＰのＸ軸及びＹ軸における寸法が蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下である蛍光体層５４を有する波長変換素子５１を製造できる。従って、バインダーＢＮに入射した蛍光の散乱を抑制できる他、蛍光体粒子ＰＲによる自己吸収の発生を抑制でき、また、励起光の反射を防ぐことができるので、蛍光の光量の低下が抑制された波長変換素子５１を製造できる。そして、このような波長変換素子５１を光源装置４が備えることによって、光学装置３０での光利用効率である光学系効率を高めることができる光源装置４を構成できる。
【００７９】
［実施形態の変形］
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
上記実施形態では、蛍光体粒子ＰＲの表面においてバインダーＢＮと結合する結合部ＢＰのＸ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下であり、結合部ＢＰのＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下であるとした。しかしながら、これに限らず、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合が１０％以下の値、好ましくは、３％以上、５％以下の値となれば、結合部ＢＰの大きさは上記に限定されない。
また、結合部ＢＰのＸ軸における寸法とＹ軸における寸法とが、それぞれ蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下になれば、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合が１０％以下の値、好ましくは、３％以上、５％以下の値とならなくてもよい。
更に、Ｘ軸及びＹ軸のうち、一方の軸における結合部Ｂ１，Ｂ２の寸法は、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４を超えていてもよい。
【００８０】
上記実施形態では、蛍光体層５４のガラス含有率は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下であるとした。すなわち、蛍光体粒子ＰＲの体積の合計とバインダーＢＮの体積の合計とを合計した体積に対するバインダーＢＮの体積の割合は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下であるとした。しかしながら、これに限らず、当該体積の割合は、光学系効率が十分高いと判断される範囲で、１０ｖｏｌ％を超えていてもよい。なお、当該体積の割合は、上記のように、蛍光体層５４の作製時の値である。
【００８１】
上記実施形態では、波長変換素子５１の製造方法は、ペースト調製工程Ｓ１、蛍光体混合工程Ｓ２、印刷版作成工程Ｓ３、塗布工程Ｓ４、乾燥工程Ｓ５、焼成工程Ｓ６及び冷却工程Ｓ７を含むとした。しかしながら、これに限らず、これら工程Ｓ１〜Ｓ７のうち、いずれかの工程は無くてもよい。例えば、乾燥工程Ｓ５は無くてもよい。また、ペースト調製工程Ｓ１及び蛍光体混合工程Ｓ２は、同時に実施してもよい。
【００８２】
上記実施形態では、焼成工程Ｓ６におけるガラスの粘度は、１０６ｄＰａ・ｓ以下の値であるとした。換言すると、ガラスの粘度が１０６ｄＰａ・ｓ以下の値となるように、焼成温度を、ガラスの軟化点より１００℃以上高くするとした。しかしながら、これに限らず、ガラスの粘度が１０６ｄＰａ・ｓ以下の値となれば、焼成温度は、バインダーＢＮとなるガラスの軟化点より１００℃以上でなくてもよい。一方、焼成温度が、ガラスの軟化点より１００℃以上であれば、バインダーＢＮとなるガラスの粘度が、焼成工程Ｓ６において１０６ｄＰａ・ｓ以下とならなくてもよい。すなわち、焼成工程Ｓ６にて、焼成温度がガラスの軟化点より１００℃以上であることと、ガラスの粘度が１０６ｄＰａ・ｓ以下であることとの少なくともいずれかが満たされればよい。
【００８３】
上記実施形態では、基板５２に対して励起光の入射側に蛍光体層５４が位置し、励起光の入射側に蛍光を出射する反射型の波長変換素子５１を例示した。しかしながら、これに限らず、励起光の入射方向に沿って蛍光を出射する透過型の波長変換素子に、本発明を適用してもよい。透過型の波長変換素子の場合、基板として、サファイアが好適に用いられる。
また、蛍光体層５４と基板５２との間に、蛍光体層５４から出射された光を反射させる誘電体多層膜が設けられていてもよい。
【００８４】
上記実施形態では、波長変換素子５１は、回転部ＲＴによって回転される構成であるとした。しかしながら、これに限らず、波長変換素子は、回転されない構成としてもよい。換言すると、波長変換装置は、波長変換素子を回転させる回転部ＲＴを備えていなくてもよい。この場合、蛍光体層５４は、励起光の入射側から見て環状に形成されていなくてもよく、例えば、円形状、或いは、多角形状に形成されていてもよい。また、蛍光体層５４の形状は、回転される場合でも回転されない場合でも、励起光の入射側から見て円形状又は多角形状であってもよい。
【００８５】
上記実施形態では、プロジェクター１は、３つの光変調装置３４３（３４３Ｂ，３４３Ｇ，３４３Ｒ）を備えるとした。しかしながら、これに限らず、２つ以下、あるいは、４つ以上の光変調装置を備えるプロジェクターにも、本発明を適用可能である。
【００８６】
上記実施形態では、プロジェクター１は、光入射面と光出射面とが異なる透過型の液晶パネルを有する光変調装置３４３を備えるとした。しかしながら、これに限らず、光変調装置は、光入射面と光出射面とが同一となる反射型の液晶パネルを有する構成としてもよい。また、入射光束を変調して画像情報に応じた画像を形成可能な光変調装置であれば、マイクロミラーを用いたデバイス、例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等を利用したものなど、液晶以外の光変調装置を用いてもよい。
【００８７】
上記実施形態では、光源装置４をプロジェクター１に適用した例を挙げた。しかしながら、これに限らず、本発明に係る光源装置は、例えば照明器具及び自動車等のヘッドライト等に採用してもよい。また、本発明に係る光源装置は、光源装置４の構成に限らず、波長変換素子と、波長変換素子に入射される光を出射する光源とを備える構成であれば、光源装置を構成する他の部品は、適宜変更可能である。本発明に係るプロジェクターも同様である。
【符号の説明】
【００８８】
１…プロジェクター、３４３（３４３Ｂ，３４３Ｇ，３４３Ｒ）…光変調装置、３６…投射光学装置、４…光源装置、４１１…光源、５１…波長変換素子、５２…基板、５４…蛍光体層、ＢＮ…バインダー、ＢＰ（ＢＰ１，ＢＰ２）…結合部、Ｃ１，Ｃ２…中心、ＰＲ（ＰＲ１，ＰＲ２）…蛍光体粒子、Ｓ１…ペースト調製工程Ｓ１（調製工程）、Ｓ２…蛍光体混合工程（調製工程）、Ｓ４…塗布工程Ｓ４、Ｓ６…焼成工程、ＶＬ…仮想線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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