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JP6891648B2 - 波長変換素子、波長変換装置、光源装置およびプロジェクター - Google Patents

波長変換素子、波長変換装置、光源装置およびプロジェクター Download PDF

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Description

本発明は、波長変換素子、波長変換装置、光源装置およびプロジェクターに関する。
プロジェクターに用いられる光源装置として、半導体レーザー等の発光素子から射出された励起光を蛍光体に照射した際に、蛍光体から発せられる蛍光を利用した光源装置が提案されている。
例えば下記の特許文献１に、セラミック製の基板と、基板の第１面に設けられた蛍光体層と、基板の第２面に設けられた反射層と、を備えたプロジェクター用の蛍光ホイールが開示されている。特許文献１では、蛍光体層の一例として蛍光体粒子が分散されたガラスバインダーが例示され、基板の一例としてアルミナ基板が例示され、反射層の一例として銀、アルミニウム等の金属反射層や反射ガラス層が例示されている。この蛍光ホイールにおいて、蛍光体層の内部から基板側に射出された蛍光は、基板を透過した後、反射層で反射され、再び基板の内部を蛍光体層に向けて進む。
特開２０１５−２１５５８３号公報
特許文献１の蛍光ホイールにおいて、蛍光体層は、反射層を備えた熱伝導率の高いセラミック製の基板上に設けられている。具体的に、蛍光体層は、金属反射層、反射ガラス層等の反射層を備えた基板に溶着等によって固定されている。反射層として金属反射層を用いた場合、蛍光体層を基板に溶着する際に発生する熱により金属反射層の表面が酸化される結果、反射率が低下する、という問題がある。また、反射層として反射ガラス層を用いた場合、多量の無機粒子や気孔をガラス内に含有させて反射率を高めることは難しい。特に気孔を用いた場合、気孔の量が多すぎると、反射層の熱伝導率が低下する、という問題がある。
また、蛍光の取り出し効率を高めるため、蛍光体層材料として屈折率が互いに異なる蛍光体とバインダーとを組み合わせる、蛍光体層の内部にも気孔を含ませる、等の手法が用いられる場合がある。ところが、その場合、金属反射面で反射した蛍光の一部は、蛍光体層内の屈折率が互いに異なる媒質同士の界面で反射し、再び金属反射面に戻る。このように、蛍光は、蛍光体層と反射層との間を往復するうち、反射層中の自由電子に一部が吸収され、蛍光体層から外部に取り出される蛍光の量が低下する、という問題がある。
本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであり、高い強度の蛍光が得られる波長変換素子を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の波長変換素子を備えた波長変換装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の波長変換素子もしくは波長変換装置を備えた光源装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の光源装置を備えたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。
上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の波長変換素子は、複数の蛍光体粒子と、前記蛍光体粒子同士を接合する無機バインダーと、を含有する波長変換層と、前記波長変換層を保持するとともに、気孔を含有するアルミナからなる基板と、を備える。前記基板は、見掛気孔率が１０％よりも大きく、３０％以下であり、前記アルミナの中心粒径が０．１μｍ以上、１．０μｍ以下である。
本発明の一つの態様の波長変換素子によれば、基板を構成するアルミナの中心粒径が比較的小さいため、比較的小さなサイズの気孔を含有する基板が提供される。これにより、高い反射率と高い熱伝導率とを有する基板を備えた波長変換素子を実現できる。これにより、高い強度の蛍光を得ることができる。アルミナの見掛気孔率および中心粒径の数値範囲の意義については後述する。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記見掛気孔率は、１５％以上、２５％以下であってもよい。
この構成によれば、高い反射率と高い熱伝導率とをより十分に確保することができる。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記アルミナの中心粒径は、０．１μｍ以上、０．７μｍ以下であってもよい。
この構成によれば、アルミナの焼成温度を比較的低くしても、高い反射率と高い熱伝導率とを有する基板を実現できる。
本発明の一つの態様の波長変換装置は、本発明の一つの態様の波長変換素子と、前記基板を、基板面に垂直な回転軸を中心として回転させる回転駆動装置と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、波長変換素子を効率良く冷却できるため、励起光の蛍光光への変換効率を高めることができる。
本発明の一つの態様の光源装置は、本発明の一つの態様の波長変換素子と、前記波長変換層を励起するための励起光を射出する励起光源と、を備える。
本発明の一つの態様の光源装置は、本発明の一つの態様の波長変換素子を備えているため、高い強度の蛍光を得ることができる。
本発明の一つの態様の光源装置は、本発明の一つの態様の波長変換装置と、前記波長変換層を励起するための励起光を射出する励起光源と、を備える。
本発明の一つの態様の光源装置は、本発明の一つの態様の波長変換装置を備えているため、高い強度の蛍光を得ることができる。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の光源装置と、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、明るい画像のプロジェクターを提供することができる。
本発明の一実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 本実施形態の波長変換素子の斜視図である。 図２の符号Ａの部分を拡大視した断面図である。 比較例の基板を拡大視した断面図である。 アルミナの見掛気孔率と反射率との関係を示すグラフである。 アルミナの見掛気孔率と熱伝導率との関係を示すグラフである。 アルミナの見掛気孔率と強度との関係を示すグラフである。 実施例１の基板を１３００℃で焼成したときの顕微鏡写真（５００倍）である。 実施例１の基板を１３００℃で焼成したときの顕微鏡写真（３０００倍）である。 実施例１の基板を１３５０℃で焼成したときの顕微鏡写真（５００倍）である。 実施例１の作製した本実施形態の基板を１３５０℃で焼成したときの顕微鏡写真（３０００倍）である。 実施例１の基板を１４００℃で焼成したときの顕微鏡写真（５００倍）である。 実施例１の基板を１４００℃で焼成したときの顕微鏡写真（３０００倍）である。 実施例２の基板を１３００℃で焼成したときの顕微鏡写真（５００倍）である。 実施例２の基板を１３００℃で焼成したときの顕微鏡写真（３０００倍）である。 比較例１の基板を１３００℃で焼成したときの顕微鏡写真（５００倍）である。 比較例１の基板を１３００℃で焼成したときの顕微鏡写真（３０００倍）である。 比較例１の基板を１３５０℃で焼成したときの顕微鏡写真（５００倍）である。 比較例１の基板を１３５０℃で焼成したときの顕微鏡写真（３０００倍）である。 アルミナの焼成温度と見掛気孔率との関係を示すグラフである。
以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。
以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。
本実施形態のプロジェクターは、スクリーン（被投射面）上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクターは、赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応した３つの液晶光変調装置を備えている。プロジェクターは、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザーを備えている。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す概略図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、第１光源装置１００と、第２光源装置１０２と、色分離導光光学系２００と、液晶光変調装置４００Ｒと、液晶光変調装置４００Ｇと、液晶光変調装置４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投射光学系６００と、を備えている。
本実施形態の第１光源装置１００は、特許請求の範囲の光源装置に対応する。
第１光源装置１００は、第１光源１０と、コリメート光学系７０と、ダイクロイックミラー８０と、コリメート集光光学系９０と、波長変換装置３０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、を備える。
本実施形態の第１光源１０は、特許請求の範囲の励起光源に対応する。本実施形態の波長変換装置３０は、特許請求の範囲の波長変換装置に対応する。
第１光源１０は、発光強度のピーク波長が４４５ｎｍの青色の励起光Ｅを射出する半導体レーザーから構成されている。第１光源１０は、一つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。なお、第１光源１０は、４４５ｎｍ以外のピーク波長、例えば発光強度のピーク波長が４６０ｎｍの青色の励起光を射出する半導体レーザーを用いることもできる。第１光源１０は、第１光源１０から射出される励起光Ｅの光軸２００ａｘが照明光軸１００ａｘと直交するように配置されている。
コリメート光学系７０は、第１レンズ７２と、第２レンズ７４と、を備えている。コリメート光学系７０は、第１光源１０から射出された光を略平行化する。第１レンズ７２および第２レンズ７４は、ともに凸レンズで構成されている。
ダイクロイックミラー８０は、コリメート光学系７０からコリメート集光光学系９０に至る光路中に、光軸２００ａｘと照明光軸１００ａｘとのそれぞれに対して４５°の角度で交わるように配置されている。ダイクロイックミラー８０は、第１光源１０から射出された青色の励起光Ｅを反射させ、後述する波長変換装置３０から射出された黄色の蛍光Ｙを透過させる。
コリメート集光光学系９０は、ダイクロイックミラー８０で反射した励起光Ｅを集束させ、後述する波長変換素子４０に入射させる機能と、波長変換素子４０から射出された蛍光Ｙを略平行化し、ダイクロイックミラー８０に入射させる機能と、を有している。コリメート集光光学系９０は、第１レンズ９２と、第２レンズ９４と、を備えている。第１レンズ９２および第２レンズ９４は、ともに凸レンズで構成されている。
第２光源装置１０２は、第２光源７１０と、集光光学系７６０と、拡散板７３２と、コリメート光学系７７０と、を備える。
第２光源７１０は、第１光源１０と同一の半導体レーザーから構成されている。もしくは、第１光源１０が発光ピーク波長４４５ｎｍの光を射出する半導体レーザーで構成されている場合、第２光源７１０は、発光ピーク波長４６０ｎｍの光を射出する半導体レーザーで構成されていてもよい。第２光源７１０は、一つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。
集光光学系７６０は、第１レンズ７６２と、第２レンズ７６４と、を備えている。集光光学系７６０は、第２光源７１０から射出された青色光Ｂを拡散板７３２上もしくは拡散板７３２の近傍に集光させる。第１レンズ７６２および第２レンズ７６４は、ともに凸レンズで構成されている。
拡散板７３２は、第２光源７１０からの青色光Ｂを拡散させ、波長変換装置３０から射出された蛍光Ｙの配光分布に近い配光分布を有する青色光Ｂを生成する。拡散板７３２として、例えば光学ガラスからなる磨りガラスを用いることができる。
コリメート光学系７７０は、第１レンズ７７２と、第２レンズ７７４と、を備えている。コリメート光学系７７０は、拡散板７３２から射出された光を略平行化する。第１レンズ７７２および第２レンズ７７４は、ともに凸レンズで構成されている。
第２光源装置１０２から射出された青色光Ｂは、ダイクロイックミラー８０で反射され、ダイクロイックミラー８０を透過した蛍光Ｙと合成されて白色光Ｗとなる。白色光Ｗは、第１レンズアレイ１２０に入射する。
第１レンズアレイ１２０は、ダイクロイックミラー８０からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第１レンズ１２２を有する。複数の第１レンズ１２２は、照明光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列されている。
第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０の複数の第１レンズ１２２に対応する複数の第２レンズ１３２を有する。第２レンズアレイ１３０は、後段の重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂのそれぞれの画像形成領域近傍に結像させる。複数の第２レンズ１３２は、照明光軸１００ａｘに直交する面内にマトリクス状に配列されている。
偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束を、偏光方向が揃った直線偏光光に変換する。図示を省略するが、偏光変換素子１４０は、偏光分離層と反射層と位相差層とを備えている。
重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された各部分光束を集光し、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂのそれぞれの画像形成領域の近傍で互いに重畳させる。第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、および重畳レンズ１５０は、波長変換装置３０からの光の面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。
色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０と、ダイクロイックミラー２２０と、反射ミラー２３０と、反射ミラー２４０と、反射ミラー２５０と、リレーレンズ２６０と、リレーレンズ２７０と、を備えている。色分離導光光学系２００は、第１光源装置１００と第２光源装置１０２とから得られた白色光Ｗを赤色光Ｒと緑色光Ｇと青色光Ｂとに分離し、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂを、対応する液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導く。
フィールドレンズ３００Ｒは、色分離導光光学系２００と液晶光変調装置４００Ｒとの間に配置されている。フィールドレンズ３００Ｇは、色分離導光光学系２００と液晶光変調装置４００Ｇとの間に配置されている。フィールドレンズ３００Ｂは、色分離導光光学系２００と液晶光変調装置４００Ｂとの間に配置されている。
ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を透過させ、緑色光成分および青色光成分を反射するダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を透過させるダイクロイックミラーである。反射ミラー２３０は、赤色光成分を反射する反射ミラーである。反射ミラー２４０および反射ミラー２５０は、青色光成分を反射する反射ミラーである。
ダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光Ｒは、反射ミラー２３０で反射され、フィールドレンズ３００Ｒを透過して、液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２１０で反射された緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２２０で反射され、フィールドレンズ３００Ｇを透過して、液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２２０を透過した青色光Ｂは、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、射出側の反射ミラー２５０、およびフィールドレンズ３００Ｂを経て、液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。
液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、各色光に対応するカラー画像を形成する。図示を省略するが、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光入射側に、入射側偏光板が配置されている。液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光射出側に、射出側偏光板が配置されている。
クロスダイクロイックプリズム５００は、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂから射出された各画像光を合成してカラー画像を形成する。クロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構成を有し、直角プリズム同士が貼り合わされた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が設けられている。
クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投射光学系６００によって拡大投射され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。投射光学系６００は、複数の投射レンズ６で構成されている。
以下、波長変換装置３０について詳細に説明する。
波長変換装置３０は、波長変換素子４０と、モーター６０と、を備えている。波長変換素子４０は、波長変換層４３と、基板４４と、接合層４５と、支持板４６と、を備えている。波長変換素子４０は、励起光Ｅが入射する側と同じ側に向けて蛍光Ｙを射出する。このとき、基板４４は、波長変換層４３から基板４４側に向けて射出された蛍光Ｙを反射させる反射板として機能する。すなわち、本実施形態の波長変換素子４０は、反射型の波長変換素子である。
波長変換層４３は、第１光源１０から射出された励起光Ｅにより励起され、黄色の蛍光Ｙを射出する蛍光体層から構成されている。波長変換層４３は、複数の蛍光体粒子４３１と、蛍光体粒子４３１同士を接合するガラスバインダー４３２と、を含有する。蛍光体粒子４３１は、賦活剤としてＣｅが分散された（Ｙ，Ｇｄ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２（ＹＡＧ：Ｃｅ）からなるＹＡＧ系蛍光体から構成されている。
本実施形態のガラスバインダー４３２は、特許請求の範囲の無機バインダーに対応する。
一例として、蛍光体粒子４３１は、粒径が５〜４０μｍのＹＡＧの中にモル濃度が０．３〜２％のＣｅイオンが賦活剤として添加されたものである。また、波長変換層４３は、上記の蛍光体粒子４３１が５０〜７５％の体積パーセント濃度でガラスバインダー４３２中に含有されたものである。ガラスバインダー４３２は、例えばホウケイ酸ガラスを主成分としている。ホウケイ酸ガラスの線膨張係数は、約５ｐｐｍであり、後述する基板４４の材料となるアルミナが７ｐｐｍであるため、焼成後にホウケイ酸ガラスには適度な圧縮応力が加わり、割れが発生しない。図２に示すように、波長変換層４３は、円環状に形成されている。波長変換層４３の厚さは、例えば４０〜２００μｍである。
波長変換層４３は、必ずしもＹＡＧ系蛍光体で構成されていなくてもよいが、ガーネット系蛍光体を用いることが望ましい。ガーネット系蛍光体は、他の蛍光体に比べて熱伝導率が高く、高熱環境下での信頼性が高い。そのため、回転ホイール型ではなく、固定型の波長変換素子を備えた光源装置に用いた場合であっても、高出力の蛍光が得られる。
図３は、図２の符号Ａの部分（基板４４の一部）を拡大視した断面図である。
基板４４は、波長変換層４３が第１面４４ａに設けられたことにより波長変換層４３を保持する。基板４４は、気孔４４１を含有するアルミナから構成されている。具体的には、基板４４は、複数のアルミナ粒子４４３の表面同士が接合された構成を有しており、アルミナ粒子４４３間の隙間が微細な気孔４４１として存在している。
アルミナの見掛気孔率は１０％以上、３０％以下であり、アルミナの中心粒径は０．１μｍ以上、１．０μｍ以下である。見掛気孔率は１５％以上、２５％以下であることがさらに望ましく、中心粒径は０．１μｍ以上、０．７μｍ以下であることがさらに望ましい。
見掛気孔率は、開口気孔容量の外形容量に対する百分率と定義される。見掛気孔率は、ＪＩＳ Ｃ２１４１に記載された方法で測定することができる。
中心粒径は、粒子の体積別に数えた体積分布から求めた累積分布の５０％の粒径と定義される。中心粒径は、レーザー回折・散乱法で測定することができる。
図２に示すように、基板４４は、円板状に形成されているが、波長変換層４３と同様、円環状に形成されていてもよい。一例として、基板４４の厚さは１ｍｍであり、第１面４４ａの面法線方向から見た基板４４の直径は、例えば３０〜５０ｍｍである。
支持板４６は、基板４４の第２面４４ｂに接合層４５を介して接合されている。支持板４６には、例えばアルミニウム、銅等の熱伝導率が高い材料からなる円板状部材が用いられる。これにより、支持板４６は、高い放熱性を確保することができる。
接合層４５は、基板４４の第２面４４ｂと支持板４６との間に介在し、基板４４と支持板４６とを接合する。接合層４５には、例えば熱伝導率が高い微粒子が樹脂中に混入された高熱伝導性接着剤が用いられる。これにより、接合層４５は、基板４４の熱を支持板４６に効率良く伝達することができる。
モーター６０は、波長変換素子４０を、基板４４の第１面４４ａに垂直な回転軸を中心として回転させる。本実施形態では、波長変換素子４０を回転させることによって、波長変換層４３上での励起光Ｅの入射位置を時間的に変化させている。これにより、波長変換層４３の同じ箇所に励起光Ｅが常に照射され、波長変換層４３が局所的に加熱されて劣化することを防止している。
本実施形態のモーター６０は、特許請求の範囲の回転駆動装置に対応する。
以下、波長変換素子４０の製造方法について説明する。
波長変換素子４０の製造方法は、中心粒径が０．１μｍ以上、１．０μｍ以下のアルミナ顆粒をプレス加工することによりアルミナ板を作製する工程と、アルミナ板を１３００℃以上、１４５０℃以下の温度で焼成することにより気孔４４１を含有するアルミナからなる基板４４を作製する工程と、複数の蛍光体粒子４３１とガラスバインダー４３２とを含む波長変換材料を基板４４の第１面４４ａに配置する工程と、基板４４の第１面４４ａに配置された波長変換材料を焼成することにより複数の蛍光体粒子４３１とガラスバインダー４３２とを含有する波長変換層４３を形成する工程と、を備えている。
最初に、スプレードライヤーを用いた噴霧乾燥法により、微細なアルミナ粉末から中心粒径が０．１〜１μｍのアルミナ顆粒を作製する。
次に、アルミナ顆粒を円板状にプレス加工することにより、アルミナ板を作製する。
次に、前工程で作製したアルミナ板を１３００℃以上、１４５０℃以下の温度で焼成する。一般的にアルミナの焼結は１６００℃程度で行なわれるが、本実施形態ではそれよりも低い温度で焼成を行う。この場合、アルミナ顆粒同士の溶け込みが少ないため、原料のアルミナ顆粒と同程度のサイズの気孔が１５〜２５％含有された状態でアルミナ顆粒が焼結され、基板４４が作製される。
また、アルミナ顆粒同士の溶け込みが僅かなため、完成した基板４４のアルミナ粒子４４３の中心粒径は、原料であるアルミナ顆粒の中心粒径と変わらないと考えられる。したがって、基板４４を構成するアルミナ粒子４４３の中心粒径は、０．１〜１μｍである。
次に、中心粒径が５〜４０μｍのＹＡＧ材料中にモル濃度が０．３〜２％のＣｅイオンを賦活剤として添加した蛍光体粒子４３１と、蛍光体粒子４３１の中心粒径よりも小さい中心粒径を有するガラス顆粒と、溶剤と、を混合し、波長変換材料を調製する。このとき、蛍光体粒子４３１を５０〜７５％の体積パーセント濃度でガラス顆粒中に含有させる。
次に、調製した波長変換材料を、印刷等の手法により、基板４４の第１面４４ａに配置する。
次に、基板４４の第１面４４ａに配置された波長変換材料を、ガラス軟化点と同等の５００〜９００℃程度の温度で数分間焼成する。これにより、波長変換材料中の溶剤が蒸発するとともに、ガラス顆粒が蛍光体粒子４３１同士を接合するバインダーとして機能し、複数の蛍光体粒子４３１とガラスバインダー４３２とを含有する波長変換層４３が形成される。さらに、ガラスバインダー４３２が冷却される過程において、波長変換層４３が基板４４上に確実に固着される。
以上の工程により、本実施形態の波長変換素子４０が完成する。
本実施形態の波長変換素子４０の作用について説明する。
波長変換層４３に励起光Ｅが照射されると、波長変換層４３の中の複数の蛍光体粒子４３１が励起され、蛍光Ｙを発する。このとき、光の波長が青色域から黄色域に変換されることによりストークスロスが生じ、発熱が生じる。さらに、蛍光Ｙの一部が蛍光体粒子４３１に再吸収されることによっても、発熱が生じる。蛍光Ｙは、全ての方向に放出されるが、蛍光体粒子４３１とガラスバインダー４３２との屈折率を異ならせたことにより、蛍光Ｙは波長変換層４３の内部で散乱され、上下に放出される。あるいは、ガラスバインダー４３２中に微小な気孔が形成されるため、蛍光Ｙは気孔によっても散乱され、放出される。上に放出された蛍光Ｙは、照明用の光として利用される。
一方、波長変換層４３の任意の発光点から下方向に放出された蛍光Ｙは、基板４４に入射する。ここで、基板４４の内部には波長と同程度のサイズの気孔４４１が多数存在するため、蛍光Ｙは、気孔４４１とアルミナ粒子４４３との界面で反射を繰り返し、基板４４を透過せず、再び波長変換層４３に向かって射出される。このような振る舞いが繰り返され、下方に向かった蛍光Ｙも、最終的には波長変換層４３から上方に射出される。
ここで、アルミナ粒子４４３のサイズと基板４４の特性との関係について説明する。
図４は、比較例の基板を拡大視した断面図である。
図４に示す比較例の基板８４４のように、アルミナ粒子８４３のサイズが相対的に大きい場合には、焼成によりアルミナ顆粒同士が結合した後でアルミナ粒子８４３の間に大きなサイズの気孔８４１が形成される。
このように、比較例の基板８４４においては、単位体積あたりの気孔８４１の表面積が相対的に小さい。言い換えると、アルミナと空気との界面の面積が相対的に小さい。そのため、比較例の基板８４４では、光の散乱が少なく、反射率が低い。また、気孔８４１のサイズが大きいため、基板８４４の熱伝導率が低く、機械的強度が低い。
これに対して、図３に示す本実施形態の基板４４のように、アルミナ粒子４４３のサイズが相対的に小さい場合には、アルミナ粒子４４３の間に小さな気孔４４１が形成される。また、アルミナの焼成温度が一般的な焼成温度よりも低く設定されることにより、隣り合うアルミナ粒子４４３同士が溶け込み過ぎないため、多数の気孔４４１がつぶれずに小さいまま残存する。
その結果、本実施形態の基板４４においては、単位体積あたりの気孔４４１の表面積（アルミナと空気との界面の面積）が相対的に大きくなるため、比較例の基板８４４に比べて、光の散乱が多くなり、反射率が高くなる。また、比較例の基板８４４に比べて、気孔４４１のサイズが小さいため、基板４４の熱伝導率が高くなり、機械的強度が高くなる。
本発明者は、アルミナの中心粒径を異ならせた基板を実際に試作し、アルミナの見掛気孔率と反射率との相関関係、見掛気孔率と熱伝導率との相関関係、および見掛気孔率と強度との相関関係を実験により見出した。
図５は、アルミナの見掛気孔率と反射率との関係を示すグラフである。
図５の横軸は見掛気孔率［％］であり、縦軸は反射率［％］である。実線のグラフはアルミナの中心粒径が０．６μｍのときのデータを示し、破線のグラフはアルミナの中心粒径が１．５μｍのときのデータを示している。
図５に示すように、アルミナの中心粒径を０．６μｍとした場合、見掛気孔率が略３０％以上の領域では、反射率は１００％に近い値で略一定である。ところが、見掛気孔率が３０％よりも小さい領域では、反射率は急激に低下する。これに対して、アルミナの中心粒径を１．５μｍとした場合には、見掛気孔率が４０％よりも小さい領域で反射率は急激に低下し、見掛気孔率が１０〜４０％の領域で反射率が略一定になることがない。
例えば、一般的な銀反射膜では９８％程度の反射率が得られると言われている。ところが、本実施形態の波長変換素子４０の場合、蛍光Ｙは波長変換層４３と基板４４との間で複数回反射した後、波長変換層４３の上方に向かうため、単純な１回反射の場合と比べて、反射率を低く見積もる必要がある。そのため、９８％の反射率を目標とするのは現実的でない。本実施形態の波長変換素子４０の場合、本発明者の知見から、少なくとも９５％の反射率を得ることを目標とする。したがって、所望の反射率を得るためには、図５から、アルミナの見掛気孔率を１０％以上とする必要がある。
図６は、アルミナの見掛気孔率と熱伝導率との関係を示すグラフである。
図６の横軸は見掛気孔率［％］であり、縦軸は熱伝導率［Ｗ／ｍ・Ｋ］である。実線のグラフはアルミナの中心粒径が０．６μｍのときのデータを示している。
図６に示すように、アルミナの見掛気孔率が大きくなると、熱伝導率は直線的に小さくなる傾向を示す。上述したように、基板４４は、アルミナ顆粒のプレス加工、焼成工程を経て作製されるため、取り扱いのし易さの観点から、１ｍｍ程度の厚さが必要となる。このとき、本発明者の計算によれば、本実施形態で例示した波長変換層４３の寸法、基板４４の寸法等を勘案すると、基板４４の熱伝導率は約７［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上を満たす必要がある。したがって、所望の熱伝導率を得るためには、図６から、アルミナの見掛気孔率を３０％以下とする必要がある。
図７は、アルミナの見掛気孔率とアルミナの強度との関係を示すグラフである。
図７の横軸は見掛気孔率［％］であり、縦軸は強度［ＭＰａ］である。実線のグラフＤ１はアルミナの中心粒径が０．６μｍのときのデータであり、破線のグラフＤ２はアルミナの中心粒径が１．５μｍのときのデータを示している。
図７に示すように、アルミナの見掛気孔率が大きくなると、アルミナの強度は低下する。また、アルミナの中心粒径が小さいと、高い強度を示す傾向がある。上述したように、基板４４は、接合層４５を介して支持板４６に接合されており、基板４４の線膨張係数と支持板４６の線膨張係数とは、例えば基板４４がアルミナで支持板４６がアルミニウムの場合、大きく異なる。そのため、蛍光Ｙを発した場合に高温となり、基板４４に応力がかかる。したがって、基板４４は、ある程度の強度が必要である。本発明者の計算によれば、本実施形態で示した基板４４の寸法等を勘案すると、基板４４の強度は約１００ＭＰａ以上を満たす必要がある。したがって、所望の強度を得るためには、図７から、アルミナの中心粒径が０．６μｍの場合は見掛気孔率を約３５％以下とし、アルミナの中心粒径が１．５μｍの場合は見掛気孔率を約２５％以下とする必要がある。
また、本発明者は、アルミナの中心粒径と焼成温度とをそれぞれ異ならせて基板を作製し、アルミナ粒子と気孔との出来具合を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した。
図８Ａ〜図１０Ｂは、中心粒径０．６μｍのアルミナ顆粒（アルミナ純度：９９％）から作製した実施例１の基板の外観を示し、図８Ａおよび図８Ｂは焼成温度が１３００℃のデータであり、図９Ａおよび図９Ｂは焼成温度が１３５０℃のデータであり、図１０Ａおよび図１０Ｂは焼成温度が１４００℃のデータである。
図１１Ａ〜図１１Ｂは、中心粒径０．２μｍのアルミナ顆粒（アルミナ純度：９９．９％）から作製した実施例２の基板の外観を示し、焼成温度が１４００℃のデータである。
図１２Ａ〜図１３Ｂは、中心粒径１．５μｍのアルミナ顆粒（アルミナ純度：９２％）から作製した比較例１の基板の外観を示し、図１２Ａおよび図１２Ｂは焼成温度が１３００℃のデータであり、図１３Ａおよび図１３Ｂは焼成温度が１３５０℃のデータである。
これらの図面にわたって、図番の末尾がＡの写真は倍率が５００倍であり、図番の末尾がＢの写真は倍率が３０００倍である。
図８Ａ〜図１１Ｂに示すように、中心粒径が０．２μｍ、０．６μｍのアルミナ顆粒を用いることにより、微細な気孔を含有する実施例１、実施例２の基板を作製できることが判った。また、図８Ｂ、図９Ｂ、図１０Ｂに示すように、中心粒径が０．６μｍのアルミナ顆粒を用いた場合、焼成温度を１３００℃から１３５０℃、１４００℃と高くすることにより、気孔のサイズは小さくなり、気孔は確実に残存していることが確認された。
図１４は、アルミナの焼成温度と見掛気孔率との関係を示すグラフである。
図１４の横軸は焼成温度［℃］、縦軸は見掛気孔率［％］である。実線のグラフＤ１はアルミナの中心粒径が０．６μｍのときのデータを示し、破線のグラフＤ２はアルミナの中心粒径が１．５μｍのときのデータを示している。
図１４に示すように、アルミナの焼成温度が１４５０℃を超えると、見掛気孔率が１０％以下となることから、前述したように、基板４４の反射率が下がり、明るさが低下する結果となる。したがって、アルミナの焼成温度は１４５０℃以下とする必要がある。
これに対し、図１２Ａ〜図１３Ｂに示すように、中心粒径が１．５μｍのアルミナ顆粒を用いることにより、大きなサイズの気孔を含有する比較例１の基板が作製された。例えば焼成温度が共通の図８Ｂと図１２Ｂ、図９Ｂと図１３Ｂの結果を比較すると、アルミナ粒子および気孔のサイズの差異は明確である。図１２Ｂ、図１３Ｂに示す比較例１の基板では、所望の反射率と熱伝導率とを満足できない。
以上の実験結果から、本実施形態の波長変換素子４０においては、アルミナの見掛気孔率を１０％以上、３０％以下とし、アルミナ粒子の中心粒径を０．１μｍ以上、１．０μｍ以下とすることにより、高い反射率と高い熱伝導率とを兼ね備えた基板４４を実現することができる。また、気孔４４１とアルミナ粒子４４３での蛍光Ｙの吸収は十分小さいため、見掛気孔率を上述のように設定すれば、高い反射率を確保することができる。これにより、高い強度の蛍光Ｙが得られる波長変換素子４０を提供することができる。
本実施形態の波長変換素子４０によれば、波長変換層４３を支持する基板４４が反射層として機能するため、反射層を別途設ける必要がない。また、波長変換層４３が基板４４の第１面４４ａに直接形成されているため、波長変換層４３と基板４４との間の熱抵抗を低く抑えることができる。
また、本実施形態の波長変換装置３０は上記の波長変換素子４０とモーター６０とを備えているため、波長変換素子４０を効率良く冷却することができる。これにより、励起光Ｅの蛍光Ｙへの変換効率を高めることができる。
本実施形態の第１光源装置１００は、本実施形態の波長変換装置３０を備えているため、高い強度の蛍光Ｙを得ることができる。また、本実施形態のプロジェクター１は、本実施形態の第１光源装置１００を備えているため、明るい画像を得ることができる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、光源装置（第１光源装置１００）が、波長変換素子とモーターとを有する波長変換装置を備えている例を挙げたが、この構成に代えて、光源装置が、モーターを備えておらず、波長変換素子を備えている構成であってもよい。すなわち、光源装置は、固定型の波長変換素子を備えている構成であってもよい。
その他、波長変換素子、波長変換装置および光源装置を構成する各構成要素の数、形状、材料、配置等については、適宜変更が可能である。また、上記実施形態では、３つの光変調装置を備えるプロジェクターを例示したが、１つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに本発明を適用することも可能である。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイスなどを用いることもできる。
その他、プロジェクターの各種構成要素の形状、数、配置、材料等については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。
また、上記実施形態では本発明による光源装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。
１…プロジェクター、１０…第１光源（励起光源）、３０…波長変換装置、４０…波長変換素子、４３…波長変換層、４４…基板、６０…モーター（回転駆動装置）、１００…第１光源装置（光源装置）、４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒ…液晶光変調装置（光変調装置）、４３１…蛍光体粒子、４３２…ガラスバインダー（無機バインダー）、４４１…気孔、４４３…アルミナ粒子、６００…投射光学系。

Claims (7)

  1. 複数の蛍光体粒子と、前記蛍光体粒子同士を接合する無機バインダーと、を含有する波長変換層と、
    前記波長変換層を保持するとともに、気孔を含有するアルミナからなる基板と、
    を備え、
    前記基板は、見掛気孔率が１０％よりも大きく、３０％以下であり、前記アルミナの中心粒径が０．１μｍ以上、１．０μｍ以下であることを特徴とする波長変換素子。
  2. 前記見掛気孔率は、１５％以上、２５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
  3. 前記アルミナの中心粒径は、０．１μｍ以上、０．７μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の波長変換素子と、
    前記波長変換素子を、基板面に垂直な回転軸を中心として回転させる回転駆動装置と、
    を備えたことを特徴とする波長変換装置。
  5. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の波長変換素子と、
    前記波長変換層を励起するための励起光を射出する励起光源と、を備えたことを特徴とする光源装置。
  6. 請求項４に記載の波長変換装置と、
    前記波長変換層を励起するための励起光を射出する励起光源と、を備えたことを特徴とする光源装置。
  7. 請求項５または請求項６に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
    前記画像光を投射する投射光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。
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