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技術 カラーホイール用基板、カラーホイールおよびプロジェクタならびにカラーホイール用基板の製造方法

出願人 京セラ株式会社
発明者 久保善則
出願日 2017年10月31日 (2年4ヶ月経過) 出願番号 2018-549012
公開日 2019年9月19日 (6ヶ月経過) 公開番号 WO2018-084140
状態 不明
技術分野
  • -
主要キーワード 環状扇形 サイド面 カットオフフィルタ サファイア板 エッジライン テラス構造 固定用穴 レーザ顕微鏡装置
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この項目の情報は公開日時点(2019年9月19日)のものです。
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図面 (5)

課題・解決手段

サファイアからなり、第1面と、第1面の反対に位置する第2面とを備え、第1面および第2面がc面であるカラーホイール基板、このカラーホイール基板と着色部とを備えるカラーホイール、このカラーホイールを備えるプロジェクタ、カラーホイール用基板の製造方法を提供する。

概要

背景

従来より、回転するカラーホイールを用いた方式のプロジェクタが提案されている。例えば、特許文献1には、カラーホイールを用いた方式のプロジェクタの一例が開示されている。また、カラーホイール用基板に使用される材質として、ガラス水晶サファイア等が挙げられている。

概要

サファイアからなり、第1面と、第1面の反対に位置する第2面とを備え、第1面および第2面がc面であるカラーホイール用基板、このカラーホイール基板と着色部とを備えるカラーホイール、このカラーホイールを備えるプロジェクタ、カラーホイール用基板の製造方法を提供する。

目的

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請求項1

サファイアからなり、第1面と、該第1面の反対に位置する第2面とを備える板状であるカラーホイール基板であって、前記第1面および前記第2面が、c面であることを特徴とするカラーホイール用基板。

請求項2

前記第1面および前記第2面に繋がる第3面を有し、該第3面の少なくとも一部に平坦部分を有することを特徴とする請求項1に記載のカラーホイール用基板。

請求項3

前記第3面の少なくとも一部に、テラス面と、前記テラス面のエッジラインに当接するサイド面とを有するテラス構造層が複数位置していることを特徴とする請求項1または2に記載のカラーホイール用基板。

請求項4

前記テラス面の幅が1.0μm〜5.0μmであることを特徴とする請求項3に記載のカラーホイール用基板。

請求項5

請求項1〜4のいずれかに記載のカラーホイール用基板と、少なくとも前記第1面または前記第2面に着色部を備えることを特徴とするカラーホイール。

請求項6

請求項5に記載のカラーホイールを備えることを特徴とするプロジェクタ

請求項7

第1面および該第1面の反対に位置する第2面がc面であるサファイア板を準備する工程と、前記サファイア板を真空雰囲気または不活性ガス雰囲気で、1800℃以上2000℃以下の温度で5時間以上保持した後、6時間以上かけて室温まで冷却する熱処理工程と、を含むことを特徴とするカラーホイール用基板の製造方法。

請求項8

前記熱処理工程の後に、前記第1面および前記第2面を鏡面研磨する鏡面研磨工程を含むことを特徴とする請求項7に記載のカラーホイール用基板の製造方法。

技術分野

0001

本開示は、カラーホイール基板、カラーホイールおよびプロジェクタならびにカラーホイール用基板の製造方法に関する。

背景技術

0002

従来より、回転するカラーホイールを用いた方式のプロジェクタが提案されている。例えば、特許文献1には、カラーホイールを用いた方式のプロジェクタの一例が開示されている。また、カラーホイール用基板に使用される材質として、ガラス水晶サファイア等が挙げられている。

先行技術

0003

特開2011−186132号公報

0004

本開示のカラーホイール用基板は、サファイアからなり、第1面と、第1面の反対に位置する第2面とを備え、第1面および第2面がc面である。本開示のカラーホイールは、上記カラーホイール用基板と着色部とを備える。本開示のプロジェクタは、上記カラーホイールを備える。本開示のカラーホイール用基板の製造方法は、第1面および第2面が、c面であるサファイア基板を準備する工程と、前記サファイア基板を真空雰囲気または不活性ガス雰囲気で、1800℃以上、2000℃以下の温度で5時間以上保持した後、6時間以上かけて室温まで冷却する熱処理工程とを備えている。

図面の簡単な説明

0005

カラーホイールの一実施形態を示す概略図であり、(a)はカラーホイールの上面図、(b)はカラーホイールの断面図である。
サファイアの結晶構造を示す図であり、(a)はc面、(b)はm面、(c)はa面、(d)はr面を示している。
テラス構造層を説明するための模式図である。
カラーホイール基板電子顕微鏡(SEM写真であり、(a)は平坦部分、(b)はテラス構造層の写真である。

実施例

0006

<カラーホイール用基板、カラーホイール、プロジェクタ>
本開示のカラーホイール用基板ならびにカラーホイールについて、図を参照しながら説明する。図1は、本開示の一実施形態であるカラーホイール1の概略図であり、カラーホイール用基板2の第1面2aに赤色着色部3R、緑色着色部3G、青色着色部3Bを有するカラーホイール1を示している。

0007

カラーホイール1は円板状のカラーホイール用基板2と、カラーホイール用基板2の第1面2aに配置された着色部3とを備えている。プロジェクタは、光源と、カラーホイール1を保持して回転させる回転保持部と、マイクロミラーとを備えている。

0008

カラーホイール1は、プロジェクタにおける光源や駆動用モータから伝わる熱、照射光によって発熱した着色部3からの熱、さらには照射光によるカラーホイール用基板2自体の発熱などにより、使用時に高温になる。また、プロジェクタにおいてカラーホイール1は高速で回転して使用されるため、比較的強い遠心力が働く。すなわち、プロジェクタでの使用時にカラーホイール1には、比較的強い熱応力と、比較的強い遠心力が働く。また当然、カラーホイール1では、光の透過率が高いことが求められる。

0009

サファイアは、熱伝導性および放熱性に優れており温度上昇を抑制できる点、機械強度が強く比較的強い遠心力が働いても破損し難い点、光の透過性が高い点において優れている。しかし、単にサファイアをカラーホイール用基板2として用いただけでは、サファイアの異方性がカラーホイールの性能に影響を与えることがあった。本開示は、カラーホイールにおける熱や光の影響と、サファイアの結晶の異方性の組み合わせについて、本願発明者が鋭意検討することで創出されたものである。

0010

サファイアの異方性と熱との関係について説明する。サファイアは異方性を有する単結晶であり、熱膨張係数c軸に垂直な方向と、c軸に平行な方向とで異なっている。例えば、c面に垂直なa面を主面に有するa面サファイアでは、主面(a面)に沿って、c軸に平行な方向(c軸方向)と、c軸に垂直な方向(例えばm軸方向)とが存在している。

0011

a面サファイアでは、主面に沿った熱膨張係数が方向の違いに応じて異なっている。主面に沿った熱膨張係数が方向の違いに応じて異なっていると、熱膨張の程度の違いに起因した熱応力が生じ、カラーホイール用基板2の反りや歪み、さらには破損などが生じる虞がある。

0012

カラーホイール用基板2は、第1面(一方の主面)2aと第1面の反対に位置する第2面(他方の主面)2bが、c面であるサファイア基板からなる。カラーホイール用基板2の主面に沿った方向は、どの方向もc軸に垂直な方向(例えばa軸やm軸)になっており、方向が異なっていても熱膨張係数の大きさに実質的な違いはない。このため、温度上昇に起因したカラーホイール用基板2の反りや歪み、さらには破損が生じがたい。本実施形態のカラーホイール用基板2は、耐熱性に優れており、また、放熱性に優れていることから、より高い温度領域におけるカラーホイール1に使用することができる。

0013

本実施形態のカラーホイール用基板2を用いたカラーホイール1をプロジェクタに用いると、カラーホイール1の温度上昇にともなう変形や破壊が抑制されるので、さらに小型かつさらに高温領域でカラーホイール1を使用することができる。ひいては、コンパクト信頼性の高いプロジェクタを構成することができる。

0014

また、サファイアの異方性と光学特性との関係について説明する。サファイアは、光学特性の面では、c軸に対して傾いた方向に進行する光に対しては複屈折性(透過した光が2つの光線に分けられること)を有している。一方、c軸に平行な方向の光に対しては複屈折性を有さない。例えば、a面サファイアでは、照射する光に複屈折が生じ、透過した照射光で形成される画像の歪みや滲みが生じる。

0015

本実施形態のカラーホイール用基板2の2つの主面(第1面2a、および第2面2b)は、照射光の進行方向に対して略垂直に配置されている。カラーホイール用基板2は、これら第1面2aおよび第2面2bの双方がサファイアのc面に平行(c軸に垂直)である。このため、カラーホイール用基板2を透過する照射光は、c軸に平行な方向の光となる。本実施形態のカラーホイール用基板2は、透過する照射光の複屈折が抑制されており、透過した照射光で形成される画像の歪みや滲み等が少ない。

0016

カラーホイール用基板2は、第1面2aおよび第2面2bに繋がる第3面2c(側面ともいう)を有し、第3面2cの少なくとも一部に平坦部分を有していてもよい。また、カラーホイール用基板2は、第3面2cの少なくとも一部に、テラス面と、テラス面のエッジライン6に当接するサイド面とを有するテラス構造層が複数配置されていてもよい。

0017

図3は、テラス構造層7を説明するための模式図である。テラス面4は平面状に広がる面である。サイド面5はテラス面4のエッジライン6からテラス面に垂直に延びる面である。このテラス構造層7は、凹凸形状を有し、凹凸がない場合に比べ表面積は大きくなっている。なお、このテラス構造層7の凹凸は、クラック割れの起点となり易い極端に先鋭な凸部や凹部とは異なるものである。このテラス構造層7におけるテラス面4は、1μm四方以上の面積を備えており、テラス面4の幅は1〜10μm程度である。また、サイド面5の高さは、3,000倍程度の電子顕微鏡による観察で少なくともテラス面4とサイド面5の境にあるエッジ知覚できる程度の高さを備えている。

0018

図4(a)は、平坦部分、(b)はテラス構造層を例示する3,000倍の倍率の電子顕微鏡(SEM)写真である。

0019

図4(a)に示すように平坦部分である場合には、クラックや欠けが少なく、クラックや欠け等の起点となる応力集中が生じにくい。第3面2cは、カラーホイール1の回転時において、比較的高速に動き、強く遠心力が働く領域である。第3面2cの少なくとも一部に、図4(a)に示すような平坦部分を有するときには、第3面2cにおいて応力が集中し易い領域を低減し、カラーホイール用基板2のクラックや割れ等が抑制される。

0020

また、カラーホイール用基板2は、図4(b)に示すように、テラス構造層7を有する部分では、回転に伴って高速に移動する際に空気との熱交換活発に行われる。すなわち、このテラス構造層7を有する部分は、高い放熱の効果を有する。カラーホイール用基板2は、第3面2cにこのようなテラス構造層7を備えているときには、放熱効果が比較的高く、過度の温度上昇および温度上昇による反りや歪み等が抑制される。

0021

本実施形態のカラーホイール用基板2の波長400nm〜800nmにおける透過率はいずれも82%以上である。光の透過率は、例えば島津製作所製紫外可視近赤外分光光度計UV−3100PCを用いて測定することができる。測定条件は、例えば、波長範囲:400〜800nm、スキャンスピード:高速、サンプリングピッチ:2.0nm、スリット幅:2.0nmである。

0022

図1に示すような赤色着色部3R、緑色着色部3G、青色着色部3Bを有するカラーホイール1に用いる場合の光源には、水銀灯などの白色光、または紫外光が使用される。赤色着色部3R、緑色着色部3G、青色着色部3Bは、照射光(白色光)を赤色光緑色光青色光に変換するフィルタであり、それぞれ所定の中心角(例えば120°)を有する環状扇形領域に形成される。光源として、LED、レーザなどの可視光単色光源を使用してもよく、着色部3として蛍光体を用いてもよい。

0023

本実施形態において、カラーホイール用基板2には、カラーホイール用基板2を回転保持部3に固定するための固定用穴2T等が設けられていてもよい。

0024

なお、カラーホイール用基板2の側面には、第3面2cと第1面2aや第2面2bとの間に面取り部を備えていてもよい。

0025

<カラーホイール用基板の製造方法>
続いて、本実施形態のカラーホイール用基板2の製造方法について説明する。

0026

まず、サファイア基板を準備する。サファイア基板は多結晶アルミナ原材料として育成されたサファイアインゴットをc面が主面となるようにして、所望の形状、例えば、直径が10mm〜100mm、厚みが0.1mm〜1.0mmの円板状にマルチワイヤーソーを用いて切断、加工することで形成される。

0027

サファイアインゴットの育成方法に特に制限はなく、EFG(Edge−defined film−fed Growth)法、CZ(チョクラルスキー法)、カイロポーラス法などで育成したサファイアインゴットを使用することができる。

0028

そして、必要に応じて、カラーホイール用基板2を回転保持部に固定するための固定用穴2Tとなる孔部等を、サファイア基板に形成する。続いて、例えば、ラッピング装置により、サファイア基板の両主面の算術平均粗さRaが1.0μm以下となるように加工する。ラッピングは、例えば、鋳鉄製の定盤平均粒径25μmのダイヤモンド砥粒を用いて自重モードで行えばよい。

0029

なお、本明細書における算術平均粗さRaは、JIS B0601(2013)に準拠する値である。算術平均粗さRaは、例えばキーエンス社製レーザ顕微鏡装置VK−9510を用いて測定することができる。測定条件は、例えば、測定モードをカラー深度測定倍率を1000倍、測定ピッチを0.02μm、カットオフフィルタλsを2.5μm、カットオフフィルタλcを0.08mm、測定長さを100μm〜500μmとするとよい。

0030

ラッピング工程に続いて、コロイダルシリカを用いたCMP(Chemical Mechanical Polishing)研磨を行い、サファイア基板の両主面を算術平均粗さRaが30nm以下、好ましくは1nm以下となるように鏡面研磨加工することで、本実施形態のカラーホイール用基板2を製造することができる。

0031

ラッピング工程に続いて、コロイダルシリカを用いたCMP(Chemical Mechanical Polishing)研磨を行うと、サファイア基板の両主面の加工ダメージ層を低減し、光の透過率を比較的高めることができる。

0032

また、カラーホイール用基板2の第3面2cに平坦部分やテラス構造層7を形成するためには熱処理を行えばよい。その場合には、例えば、ラッピング工程に続いて熱処理を行えばよく、CMP研磨は熱処理後に行えばよい。

0033

本実施形態では、熱処理の具体的な条件としては、サファイア基板を1800℃以上、2000℃以下の温度で5時間以上保持した後、6時間以上の降温時間で室温まで冷却する。熱処理工程は、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中、または真空中で行えばよい。これにより、サファイア基板の表面および内部において、原子結晶欠陥再配列が進行し、加工工程において表面および内部に形成された、マイクロクラックや結晶欠陥や内部応力を低減させることもできる。

0034

また本実施形態では、この熱処理により、サファイア基板の表面(主面および側面)では、表面エネルギーが小さくなるように、原子の再配列が進行し、加工工程で形成された残留応力やマイクロクラックが低減されるとともに、複数の平坦なテラス面4と高さの異なる他のテラス面4を接続するサイド面5とからなるテラス構造層7を有する表面が形成される。

0035

本実施形態では、熱処理後のサファイア基板の主面、および側面には、複数のテラス面4と、テラス面4のエッジライン6に当接するサイド面5とを有するテラス構造層7が形成される。例えば、c面には、c面をテラス面4とし、主としてm面をサイド面5とする複数のテラス構造層7が形成されている。

0036

本実施形態では、側面2cのa軸と交わる部分を中心とした領域には、a面をテラス面4とし、主としてm面をサイド面5とする複数のテラス構造層7が形成される。側面のm軸に直交する部分を中心とした領域には、テラス面4およびサイド面5のない、すなわちテラス構造層7がない平坦な表面が形成される。側面2cにテラス構造層7と平坦部分の両方が形成される場合には、両者の間には、徐々に構造が変化する中間領域が存在する。

0037

本実施形態では、これらの平坦部分やテラス構造層7、中間領域は、表面形状に差はあるものの、いずれも熱処理によって、原子、結晶欠陥の再配列が進行し、加工工程において表面および内部に形成された、マイクロクラックや結晶欠陥や内部応力が低減していてもよい。

0038

続いて、コロイダルシリカを用いたCMP(Chemical Mechanical Polishing)研磨により、サファイア基板の両主面を算術平均粗さRaが30nm以下、好ましくは1nm以下となるように鏡面研磨加工する。例えばこのような工程を経て、本実施形態のカラーホイール用基板2を製造することができる。なお、この研磨工程では、主面のテラス構造層7は消失するが、側面2cのテラス構造層7は残すことができる。

0039

そして、例えば、得られたカラーホイール用基板2の主面の所望の領域に、着色部3となる蛍光体またはカラーフィルタ蒸着、塗布・焼成などの方法で形成し、本実施形態のカラーホイール1を製造してもよい。

0040

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものでない。本開示は、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよいのはもちろんである。

0041

1 :カラーホイール
2 :カラーホイール用基板
2a:第1面
2b:第2面
2c:第3面
2T:固定用穴
3 :着色部
3R:赤色着色部
3G:緑色着色部
3B:青色着色部
4 :テラス面
5 :サイド面
6 :エッジライン
7 :テラス構造層

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