JP2009126749A - 透明多結晶スピネル基板とその製造方法および前記基板を用いた光学製品 - Google Patents

Abstract

【課題】光学製品として用いても、像のブレや明暗を生じることのない透明多結晶スピネル基板を提供する。また、その製造方法を提供する。さらに、その透明多結晶スピネル基板を用いた液晶プロジェクターおよびリアプロジェクションテレビ受像機を提供する。
【解決手段】１ｍｍ厚みで、波長４５０ｎｍにおいて、クロスニコル系における透過率が、０．００５％以下であることを特徴とする透明多結晶スピネル基板。スピネル粉末を準備する工程、スピネル粉末を成形してスピネル成形体を作製する工程、前記スピネル成形体を焼結してスピネル焼結体を作製する工程、前記スピネル焼結体をＨＩＰしてスピネル多結晶体を作製する工程を有する透明多結晶スピネル基板の製造方法。前記透明多結晶スピネル基板を有する液晶プロジェクターまたはリアプロジェクションテレビ受像機。
【選択図】 なし

Description

本発明は、透明多結晶スピネル基板およびその製造方法に関し、特に、液晶プロジェクターやリアプロジェクションテレビ受像機の透明基板等、光学用途に用いられる透明多結晶スピネル基板およびその製造方法に関する。さらに、その透明多結晶スピネル基板を用いた液晶プロジェクターおよびリアプロジェクションテレビ受像機に関する。

近年、液晶画面の表裏を透明化し、液晶パネルとして一方から光を当て、レンズ等で透過光を調整した液晶プロジェクターやリアプロジェクションテレビ受像機が市販されている。このような液晶プロジェクター等における液晶画面を保護する透明基板には、単に液晶画面の汚れや外気からの保護だけでなく、近接する光源からの熱保護と、該光源からの光により、液晶画面に発生する吸熱現象に伴う昇温とを放熱すること等が求められている。

そして、光透過特性に優れた透明基板として、透明多結晶スピネル基板が、特許文献１〜３などに開示されている。これらの透明多結晶スピネル基板は、透光性に優れており、前記した光源からの光による熱吸収も少なく、液晶の昇温を熱放散できるため、液晶プロジェクター等の透明基板として有用である。
特公平６−７２０４５号公報 特開２００６−２７３６７９号公報 特表平４−５０２７４８号公報

しかし、これらの透明多結晶スピネル基板を用いて、液晶プロジェクター等の光学製品を作製した場合、像のブレや明暗を生じることがあり、安定した特性の製品を得ることに問題があった。
このため、本発明は、光学製品として用いても、像のブレや明暗を生じることのない透明多結晶スピネル基板を提供することを課題とする。また、その製造方法を提供することを課題とする。さらに、このような透明多結晶スピネル基板を用いた液晶プロジェクターおよびリアプロジェクションテレビ受像機を提供することを課題とする。

本発明者は、前記従来の透明多結晶スピネル基板を用いた液晶プロジェクターにおける像のブレや明暗の発生につき、その原因を鋭意検討した。その結果、従来、スピネル材料（ＭｇＯ・ｎＡｌ_２Ｏ_３；ｎ＝１〜３）は、結晶構造が立方晶であるため、結晶学的には偏光特性が生じないと言われていたが、実際には、僅かな散乱が生じていることを見出した。

本発明者は、さらに、前記僅かな偏光性の発生原因につき、検討を行い、その結果、従来の透明多結晶スピネル基板においては、製造プロセスや密度のバラツキ等により、微小な空隙を有する微細組織が生じ、この微細組織が、前記の僅かな散乱を生じさせていることを見出した。

前記の検討結果に基づき、本発明者は、さらに散乱特性の変化を的確に把握することにつき、鋭意検討した。そして、その指標として、焼結体や基板としてのスピネル成形体のクロスニコル系における透過率を使用することにより、散乱特性の変化を的確に把握できることを見出し、さらに、光学製品として用いても、像のブレや明暗を生じることのない透明多結晶スピネル基板を提供できる具体的なクロスニコル系における透過率を見出し、本発明を完成するに至った。
以下、本発明を、各請求項毎に詳しく説明する。

請求項１に記載の発明は、
１ｍｍ厚みで、波長４５０ｎｍにおいて、クロスニコル系における透過率が、０．００５％以下であることを特徴とする透明多結晶スピネル基板である。

上記クロスニコル系における透過率は、図１（ａ）に示すように、始めに、光源側の偏光板に対して、検出器側の偏光板の透過軸を９０°にセット（即ち、直交にセット）して、光源より所定の波長の光を照射し、透過率を求め、その値をブランク値とする。その後、図１（ｂ）に示すように、２枚の偏光板の間に、測定対象のサンプルを入れ、同様に光を照射し、サンプル値とブランク値との差をクロスニコル系における透過率と定義する。

そして、本発明者は、プロジェクターに利用できる適切なクロスニコル系における透過率を具体的に得るための検討を行い、その結果、クロスニコル系における透過率を、１ｍｍ厚みで、波長４５０ｎｍにおいて、０．００５％以下にすればよいことを見出した。

即ち、請求項１の発明においては、前記クロスニコル系における透過率が、１ｍｍ厚みで、波長４５０ｎｍにおいて、０．００５％以下であるため、光学製品として用いても、実質的に像のブレや明暗が生じることのない透明多結晶スピネル基板を提供することができる。
また、透光性に優れているが偏光性を持つサファイアよりも偏光特性に優れた透明基板を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、
密度が、３．５８ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項１に記載の透明多結晶スピネル基板である。

請求項２の発明においては、密度が、３．５８ｇ／ｃｍ^３以上であるため、１ｍｍ厚みで、波長４５０ｎｍにおいて、クロスニコル系における透過率が、０．００５％以下となる。

即ち、透明多結晶スピネル基板の密度３．５８ｇ／ｃｍ^３は、理論密度比（真の密度３．６に対する割合）では、９９．５％以上に相当する。
請求項２の発明においては、従来品の理論密度比９９．３％に比べて、高い理論密度比に規定されているため、かかる透明多結晶スピネル基板には、微小な空隙が非常に少なく殆ど存在せず、さらに、存在する空隙も非常に微小であるため、実質的に散乱特性に影響することがない。このため散乱がない良好な透明多結晶スピネル基板を提供することができる。

また、高い理論密度比とすることにより、透過率を向上させることができるため、請求項２の発明においては、像のブレや明暗を生じることがないと共に、透光性に優れた透明多結晶スピネル基板を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、
波長４５０ｎｍにおける透過率が、１ｍｍ厚みで８２％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の透明多結晶スピネル基板である。

請求項３の発明においては、波長４５０ｎｍにおける透過率が、１ｍｍ厚みで８２％以上であるため、前記した透光性に優れた透明多結晶スピネル基板を提供することができる。

請求項４に記載の発明は、
少なくとも片側に反射防止膜を有すると共に、１ｍｍ厚みで、クロスニコル系における透過率が０．００５％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の透明多結晶スピネル基板である。

請求項４の発明においては、少なくとも片側に設けられた反射防止膜と一体化された透明多結晶スピネル基板のクロスニコル系における透過率が、１ｍｍ厚みで、０．００５％以下であるため、より直線透過性に優れた透明多結晶スピネル基板を提供することができる。

反射防止膜としては、ＭｇＦ_２、ＹＦ_３、ＬａＦ_３、ＣｅＦ_３、ＢａＦ_２などの金属弗化物が好ましく使用できる。また、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２などの金属酸化物と複層させてもよい。
反射防止膜を設ける手段としては、物理蒸着法を利用することができ、具体的には、例えば、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法などが挙げられる。

請求項５に記載の発明は、
波長４５０ｎｍにおける透過率が、１ｍｍ厚みで９１％以上であることを特徴とする請求項４に記載の透明多結晶スピネル基板である。

請求項５の発明においては、波長４５０ｎｍにおける透過率が、１ｍｍ厚みで９１％以上であるため、前記した優れた散乱特性と共に、さらに透光性に優れた透明多結晶スピネル基板を提供することができる。
請求項５の発明においては、対象としている透明多結晶スピネル基板が、請求項４に記載された透明多結晶スピネル基板であり、反射防止膜が設けられているために、請求項１〜３において提供される透明多結晶スピネル基板よりも、高い透過率とすることができる。

請求項６に記載の発明は、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の透明多結晶スピネル基板の製造方法であって、
スピネル粉末を準備する工程、
スピネル粉末を成形してスピネル成形体を作製する工程、
前記スピネル成形体を焼結してスピネル焼結体を作製する工程、
前記スピネル焼結体をＨＩＰしてスピネル多結晶体を作製する工程
を有することを特徴とする透明多結晶スピネル基板の製造方法である。

請求項６の発明においては、スピネル成形体を焼結してスピネル焼結体を作製する工程と、スピネル焼結体をＨＩＰ（熱間等方加圧）してスピネル多結晶体を作製する工程が設けられていることにより、高い密度のスピネル多結晶体を得ることができる。

この焼結は真空中で行うことが望ましい。真空中で焼結を行うことにより、空孔の除去や微視的な不純物混入による結晶格子のバラツキや歪みを小さくでき、微小な空隙の発生を抑制することができる。
また、ＨＩＰすることにより、微小な空隙をより小さくすることができる。その結果、高い密度のスピネル多結晶体を得ることができる。

得られたスピネル多結晶体に、さらに、鏡面加工等、光学製品に対する一般的な表面加工を施すことにより、最終的に、クロスニコル系における透過率が低い、即ち、直線透過特性に優れた透明多結晶スピネル基板を得ることができる。

前記スピネル成形体を焼結する条件としては、例えば、真空度１〜２００Ｐａ程度、温度１５００〜１７５０℃程度が好ましい。

また、ＨＩＰする工程における条件としては、例えば、雰囲気としては、アルゴンガスや酸素、窒素等が好ましく、また温度１８００〜１９００℃程度、加圧力５〜２００ＭＰａ程度が好ましい。

なお、前記各々の工程における条件は、最終的に、請求項１〜請求項５を満足する条件に設定されれば、特に限定されるものではない。

また、前記各工程の他に、透明多結晶スピネル基板の特性等に応じて、適宜、他の工程を加えてもよい。

請求項７に記載の発明は、
液晶プロジェクター用またはリアプロジェクションテレビ受像機用であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の透明多結晶スピネル基板である。

請求項７の発明においては、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の透明多結晶スピネル基板を、液晶プロジェクターやリアプロジェクションテレビ受像機の偏光板等に適用することにより、優れた液晶プロジェクターまたはリアプロジェクションテレビ受像機を提供することが可能となる。

請求項８に記載の発明は、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の透明多結晶スピネル基板を有していることを特徴とする液晶プロジェクターまたはリアプロジェクションテレビ受像機である。

請求項８の発明においては、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の透明多結晶スピネル基板を有しており、実質的に像のブレや明暗が生じることのない液晶プロジェクターまたはリアプロジェクションテレビ受像機を提供することができる。

本発明により、光学製品として用いても、実質的に像のブレや明暗が生じることのない透明多結晶スピネル基板を提供することができる。
また、このような透明多結晶スピネル基板を用いることにより、実質的に像のブレや明暗が生じることのない液晶プロジェクターおよびリアプロジェクションテレビ受像機を提供することができる。

以下、本発明をその最良の実施の形態につき、以下に示す実施例に基づき、詳しく説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

イ．スピネル粉末を準備、成形してスピネル成形体を作製する工程
純度９９．９％以上のスピネル粉末（平均粒径０．２μｍ）を、９８ＭＰａの圧力でプレスした後、１９６ＭＰａでＣＩＰ（冷間等方加圧）を行い、φ５０×１０ｍｍのスピネル成形体を作製した。

ロ．スピネル成形体を真空中で焼結してスピネル焼結体を作製する工程
得られたスピネル成形体を、真空中、温度１６７０℃で、２時間保持して、スピネル焼結体を作製した。

ハ．スピネル焼結体をＨＩＰしてスピネル多結晶体を作製する工程
得られたスピネル焼結体を、アルゴン雰囲気下、表１に示す各温度で、２時間保持して、ＨＩＰ（熱間等方加圧）を行い、多結晶化させて、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の各スピネル多結晶体のサンプルを作製した。なお、圧力は、全てにおいて、２００ＭＰａとした。
得られた各サンプルの密度を、アルキメデス法によって測定した。表１に、測定結果を併せて示す。

ニ．透明多結晶スピネル基板の作製
得られた各サンプルを、厚み１．０ｍｍとなるまで鏡面加工した後、その片面に、ＭｇＦ_２を０．１μｍコーティングして反射防止膜を設けて、各サンプルによる透明多結晶スピネル基板を作製した。

ホ．透過率、およびクロスニコル系における透過率の測定
得られた各透明多結晶スピネル基板の、波長４５０ｎｍにおける透過率を測定した。なお、測定には、日立ハイテクノロジーズ社製の分光光度計（ＵＶ４１００）を用いた。
次に、同じ分光光度計を用いて、波長４５０ｎｍにおけるクロスニコル系の透過率を測定した。
透過率、およびクロスニコル系の透過率の測定結果を、表１に併せて示す。

なお、表１において、Ｎｏ．１、２は、クロスニコル系における透過率が０．００５％を上回る比較例であり、Ｎｏ．３、４が、本発明に基づく実施例である。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の各透明多結晶スピネル基板は、全て９１％以上の透過率を示しており、優れた透光性の透明多結晶スピネル基板であることが分かる。
そして、密度が３．５８ｇ／ｃｍ^３以上である透明多結晶スピネル基板（Ｎｏ．３、Ｎｏ．４）は、密度が３．５８ｇ／ｃｍ^３未満である透明多結晶スピネル基板（Ｎｏ．１、Ｎｏ．２）に比べ、はるかに低いクロスニコル系の透過率を示していることが分かる。
以上より、密度を高くすることにより、透光性に優れクロスニコル系の透過率が低い優れた透明多結晶スピネル基板が得られることが分かる。

なお、表１において、Ｎｏ．４の透過率およびクロスニコル系の透過率が、密度がＮｏ．４より低いＮｏ．３と比べて悪化しているが、この原因は、以下のように推測される。
即ち、密度（理論密度比）が高くなると、空隙が小さくなり、偏光特性への悪影響が低下する。しかし、密度（理論密度比）がさらに高くなると、微小な空隙が隣り合う状態となり、ついには、空隙同士が合体して、合体前より大きな１つの空隙となり、これが、透過率やクロスニコル系での透過率に悪影響を与えたものと推測される。

（液晶プロジェクターへの組み込みと評価）
Ｎｏ．３、Ｎｏ．４の透明多結晶スピネル基板を、図２にその構造を概念的に示す液晶プロジェクターに組み込み、評価した。
図２において、５０はメタルハライドランプを用いた光源、キセノンランプ、ＵＨＰ等の高輝度ランプの光源であり、５１は反射鏡であり、５３は赤外集光レンズであり、５４は紫外カットフィルターであり、６０は偏光変換インテグレータであり、６１はフライアイレンズであり、６２はスリットであり、６３はレンズであり、７０は光の波長に応じて透過、反射を行なうダイクロイックミラーであり、７１はミラーであり、８０は液晶パネルであり、８１は偏光板であり、８２は防塵窓であり、８３は１／２波長板であり、８４はクロスダイクロイックプリズムであり、９０は投射レンズ系である。

光源５０からの光は、反射鏡５１により反射され、赤外集光レンズ５３により集光され、紫外カットフィルター５４により不必要な紫外線をカットされ、２枚のフライアイレンズ６１で輝度むらが平坦化され、スリット６２を経てＰＢＳと１／２波長板からなる偏光変換インテグレータ６０に導かれる。その後、レンズ６３を経て、２個のダイクロイックミラー７０によりＲ、Ｇ、Ｂの３原色に分解され、分解された３原色は各々ミラー７１等を経て、個別に偏光板８１、液晶パネル８０、防塵窓８２、偏光板８１を有する光スイッチに導かれ、さらに１／２波長板８３を通過してクロスダイクロイックプリズム８４で合成される。合成された光は、投射レンズ系９０に導かれて拡大投影され、前方のスクリーンに画像が映し出される。

上記の液晶プロジェクターの紫外カットフィルター５４、フライアイレンズ６１、レンズ６３、ダイクロイックミラー７０、偏光変換インテグレータ６０と偏光板８１における偏光体の保持板、液晶パネル８０を構成する透明基板や防塵窓８２に、前記透明多結晶スピネル基板を用い、評価したところ、像のブレや明暗を生じることがなく、光学製品に用いる透明多結晶スピネル基板として好適であることが確認できた。

このように、本発明によれば、光学製品として用いても、像のブレや明暗を生じることのない透明多結晶スピネル基板を提供することができる。

クロスニコル系での透過率を説明する図である。 液晶プロジェクターの構造を概念的に示す図である。

符号の説明

５０ 光源
５１ 反射鏡
５３ 赤外集光レンズ
５４ 紫外カットフィルター
６０ 偏光変換インテグレータ
６１ フライアイレンズ
６２ スリット
６３ レンズ
７０ ダイクロイックミラー
７１ ミラー
８０ 液晶パネル
８１ 偏光板
８２ 防塵窓
８３ １／２波長板
８４ クロスダイクロイックプリズム
９０ 投射レンズ系

Claims (8)

1. １ｍｍ厚みで、波長４５０ｎｍにおいて、クロスニコル系における透過率が、０．００５％以下であることを特徴とする透明多結晶スピネル基板。
2. 密度が、３．５８ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項１に記載の透明多結晶スピネル基板。
3. 波長４５０ｎｍにおける透過率が、１ｍｍ厚みで８２％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の透明多結晶スピネル基板。
4. 少なくとも片側に反射防止膜を有すると共に、１ｍｍ厚みで、クロスニコル系における透過率が０．００５％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の透明多結晶スピネル基板。
5. 波長４５０ｎｍにおける透過率が、１ｍｍ厚みで９１％以上であることを特徴とする請求項４に記載の透明多結晶スピネル基板。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の透明多結晶スピネル基板の製造方法であって、
   スピネル粉末を準備する工程、
   スピネル粉末を成形してスピネル成形体を作製する工程、
   前記スピネル成形体を焼結してスピネル焼結体を作製する工程、
   前記スピネル焼結体をＨＩＰしてスピネル多結晶体を作製する工程
   を有することを特徴とする透明多結晶スピネル基板の製造方法。
7. 液晶プロジェクター用またはリアプロジェクションテレビ受像機用であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の透明多結晶スピネル基板。
8. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の透明多結晶スピネル基板を有していることを特徴とする液晶プロジェクターまたはリアプロジェクションテレビ受像機。

Images