JP4061227B2

JP4061227B2 - 球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法

Info

Publication number: JP4061227B2
Application number: JP2003105989A
Authority: JP
Inventors: 茂小野田; 良太高津; 教一柵木; 嗣夫関口
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2023-04-10
Also published as: JP2004311320A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プロジェクタなどに用いられる光源装置の凹面反射鏡基体は、硬質ガラス製の硼珪酸ガラスから作成され、そのガラスの軟化温度以上にすることで溶解して、金型を用いて押し型成形によって作成されていた。溶解したガラスを加工するため離型上問題を起こさぬように、軟化温度以上の半溶解状態で金型から取り出すことが一般的であった。
【０００３】
また、用いられるプロジェクタからの要求としての、光源ユニットへの小型化の要求に従い、更に耐熱性を持たせるために結晶化ガラスの提案がされ、実用化に至っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来のように、硼珪酸ガラスから作成されるものにおいては、取り出した後に変形したりして、設計した曲面から大幅に外れるものも発生して問題となっていた。
【０００５】
更に、硼珪酸ガラスから作成される反射鏡基体は、ガラスを１２５０℃程度に溶解したものを金型に接触させて、数秒間もプレスして転写性を上げるようにしているので、金型がすぐ酸化したり、金型の肝心な設計表面にガラス素材の蒸発物が付着したりして頻繁にその金型の設計鏡面を研磨する必要があり、そのため本来の設計値から徐々に逸脱してしまうようなことが発生し問題であった。そのため冷間で行う通常の紛体成形と比較すると、金型寿命も約１／１００であり、せいぜい２万ショット程度しかなく、極端に短寿命であり問題であった。また、反射鏡基体そのものも、溶解したガラスを成形する際に冷却過程で均一な肉厚でないと“ひけ”と呼ばれる肉厚に応じた収縮があり、そのために変形したりするものがあり、転写性において問題を生ずるものもあった。
【０００６】
また、前記結晶化ガラスで作成するものにおいては、結晶化ガラスも硼珪酸ガラスから作成されるので、従来の硼珪酸ガラスから作成される反射鏡基体の諸問題に加えて、反射鏡面とする面に結晶化させた時点で結晶質が現れ、乱反射を起こす面となってしまう問題があるので、更に研磨材を用いて研磨する工程の手間を必要とするだけでなく、研磨工程を通すと本来の設計曲面から必ず外れる結果となっていた。
【０００７】
また、微粉末シリカを主体としてバインダとともにスラリー化した後、スプレードライアで造粒し、金型による粉体成形を行い仮焼結、本焼結して反射鏡基体を得る方法が考えられる。例えば、図１２に示すように、ダイ１０１に上パンチ１０２と下パンチ１０３を嵌合させ、これに前記の造粒した粉体を充填して上下のパンチ１０２，１０３で一度に圧縮成形するように試みた結果、成形体の厚さが均一でなく、凹凸等がある場合、加圧にバラツキが生じやすく、成形体１０４の段部１０５にクラックの発生や、破損が発生しやすく、特に焼成後に著しかった。
【０００８】
そこで本発明は、用いる成形材料を溶解させることなく冷間で成形でき、したがって素材の熱収縮などの問題や、当初の設計値から外れることもない、したがって金型寿命の長い、また、成形体に段部があってもクラックや破損が発生しない、かつ成形の精度が向上し、機械的にも強固な球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、少なくとも球状シリカを含む粉体材料を加圧成形して凹面反射鏡基体を製造する製造方法であって、
該凹面反射鏡基体における有効反射面を有する基体部を主体とする部分を加圧成形する金型と、光源ランプの封止部を保持するために設けた概略円筒部を主体とする部分を加圧成形する金型が相互に独立して動作する粉体成形装置を用い、
前記両金型の相互の移動速度を相違させて、前記両金型によって、前記両部分の粉体材料のプレス成形を相互に独立して行うとともに該両部分を一連にプレス成形することを特徴とする球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法である。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記粉体成形装置の金型を、型穴（９ａ）を有する昇降可能なダイ（９）と、前記型穴（９ａ）に立設され、前記有効反射面（３）を有する基体部（４）の部分を成形する成形面（１０ａ）を上面に形成したアウターパンチ（１０）と、該アウターパンチ（１０）の内側に昇降可能に設けられ、上面に前記概略円筒部（５）を成形する成形面（１１ａ）を形成したインナーパンチ（１１）と、昇降可能に設けられ、前記有効反射面（３）を有する基体部（４）を成形する反射面成形面（８ａ）を形成した上パンチ（８）とで構成し、前記インナーパンチ（１１）と前記上パンチ（８）の移動速度を相互に相違させることを特徴とする球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法である。
【００１１】
請求項３記載の発明は、少なくとも球状シリカを含む粉体材料を加圧成形して凹面反射鏡基体を製造する製造方法であって、
該凹面反射鏡基体における有効反射面を有する基体部を主体とする部分を加圧成形する金型と、光源ランプの封止部を保持するために設けた概略円筒部を主体とする部分を加圧成形する金型と、前記有効反射面の前方に位置する囲い部分を加圧成形する金型が相互に独立して動作する粉体成型装置を用い、
前記各金型の相互の移動速度を相違させて、前記各金型によって、前記各部分の粉体材料のプレス成形を相互に独立して行うとともに該各部分を一連にプレス成形することを特徴とする球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法である。
である。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記粉体成形装置の金型を、型穴（９ａ）を有する昇降可能なダイ（９）と、前記型穴（９ａ）に立設され、前記有効反射面（３）を有する基体部（４）の部分を成形する成形面（１０ａ）を上面に形成したアウターパンチ（１０）と、該アウターパンチ（１０）の内側に昇降可能に設けられ、上面に前記概略円筒部（５）を成形する成形面（１１ａ）を形成したインナーパンチ（１１）と、昇降可能に設けられ、前記有効反射面（３）を有する基体部（４）を成形する反射面成形面（８ａ）を形成した上パンチ（８）と、昇降可能に設けられ前記有効反射面の前方に位置する囲い部分を加圧成形するパンチ（１６）とで構成し、前記インナーパンチ（１１）と前記上パンチ（８）と前記パンチ（１６）の移動速度を相互に相違させることを特徴とする球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法である。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項２又は４記載の発明において、前記インナーパンチ（１１）の内側にコア（１２）を昇降可能に設けたことを特徴とする球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を図１乃至図１０に示す実施例に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本発明により得られる凹面反射鏡基体１の第１実施例を示すもので、外寸法Ｄが５０×５０ｍｍで、反射鏡の光軸Ｘ上の焦点距離ｆ＝６ｍｍの位置に、定格電力１８０Ｗの超高圧水銀ランプ２の発光部が配置される。
【００１６】
反射鏡基体１は、球状シリカを主材とする、すなわち少なくとも球状シリカを含む材料を用いてプレス成形によって得られたものを焼結することにより得られ、また、放物状の反射鏡面３には、いわゆるコールドミラーと呼ばれる酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）とを交互に成膜した誘電体反射膜をコートしている。
【００１７】
また、図１において、４は有効反射面を有する基体部であり、５は光源ランプ２の封止部を保持するために設けた概略円筒部であり、６は有効反射面の前方に位置する囲い部分を示す。
【００１８】
また、前面には万が一のランプ２の破裂に備えて、無反射コートを施した厚さ４ｍｍの硬質ガラス７が配置されている。
【００１９】
上記した定格電力１８０Ｗの超高圧水銀ランプ２は、約１ｍｍのアーク長であり、内容積は約１００ｍｍ³の中に、約０．２ｍｇ／ｍｍ³とした水銀を封入し、黒化防止のためにハロゲンサイクルを利用する上で、臭素を約３．５×１０^-4μモル／ｍｍ³とするべく、始動用補助ガスとして封入すべきアルゴンガスと共に臭化水素（ＨＢｒ）を５％とする混合ガスとして封入してある。
【００２０】
次に、前記反射鏡基体の製造方法について図２乃至図７により説明する。
図２において、８は上パンチで、反射面成形面８ａと、該面８ａの上側に連続した囲い部分成形面８ｂと、その上側において外方へ突出した囲い部分の上端面の成形面８ｃとを有する。また、中心部には穴８ｄが形成されている。該上パンチ８は、図示しない駆動機構によりプログラム制御で移動速度、移動量が制御されて上下に移動するようになっている。
【００２１】
９はダイで、その中央に前記上パンチ８が嵌入する型穴９ａが形成されている。該ダイ９は、図示しない駆動機構によりプログラム制御で移動速度、移動量が制御されて上下に移動するようになっている。
【００２２】
１０は前記型穴９ａに立設されているアウターパンチで、図示しない粉体成形装置の固定テーブルの支持板に取り付けられて固定されている。該アウターパンチ１０の上面には反射面を有する基体部４の部分を成形する成形面１０ａが形成されている。
【００２３】
１１は前記アウターパンチ１０の内側に昇降可能に設けたインナーパンチで、図示しない駆動機構によりプログラム制御で移動速度、移動量が制御されて上下に移動するようになっている。該インナーパンチ１１の上面には概略円筒部５の下面を成形する成形面１１ａが形成されている。
【００２４】
１２は前記インナーパンチ１１の内側に設けたガイド用のコアで、前記ダイ９とともに上下に移動するようになっており、前記上パンチ８の穴８ｄに嵌合するようになっている。
【００２５】
なお、前記上パンチ８などの移動部材の昇降時期と昇降量の動作は制御手段によりプログラム制御される。
【００２６】
以上の構造において、先ず、０．３〜１．５μｍとした球状シリカに、ファインセラミックの成形助剤として知られる約３％の有機バインダ（ＰＶＡ、澱粉など）を水と混合してスラリーとしたものを、スプレードライアで一定の平均粒径になるように顆粒状に造粒して粉体とする。
【００２７】
顆粒状にスラリーを造粒して得た紛体は、三軸又は四軸がプログラム制御により独立して上下稼動し、成形体に一定の圧力を加えることができる紛体成形装置を使用して、前記の反射鏡基体１の形状に成形する。
【００２８】
粉体成形装置としては、流体あるいは電気を使用した駆動により、図１に示す凹面反射鏡基体１の反射面３を有する基体部４を主体とする部分と、ランプの封止部を保持するために設けた概略円筒部５を主体とする部分の金型の移動速度と移動量を成形条件によってコンピュータによりプログラム制御できるように構成されたものが使用できる。これにより、乾式プレス成形が困難とされる深い凹形上を有する反射鏡基体であっても、加圧のバラツキによって生じる歪みや、段部等でのクラックが発生することもなく、寸法精度に優れた成形体を作成することができる。
【００２９】
実施例として図２に示す反射面を主体とする上パンチ８と、概略円筒部を主体とするインナーパンチ１１の移動速度と移動量が個別に動作できる金型を使用して前記粉体成形装置でプレス成形（押し型成形）を行い反射鏡基体１を作成した。
【００３０】
先ず、図２に示す状態からダイ９等を図３に示すような状態に移動し、球状シリカを顆粒状に造粒した紛体を、図３に示すフィーダカップ１３に入れ、該フィーダカップ１３をダイ９上で往復運動させることにより、容積に応じたダイ９の空間に紛体１４を充填する。
【００３１】
次に、充填を完了するとフィーダカップ１３を退避させ、図４に示すように下ラム機構（図示せず）により、ダイ９を上昇させてアンダーフィルを行う。
【００３２】
次に、紛体成形機の上ラム機構（図示せず）により図５に示すように上パンチ８を予め設定された移動速度と移動量で下降させ、コア１２をガイドにしてダイ９の中に挿入する。アウターパンチ１０は固定状態であるため紛体１４は上パンチ８の下降と共に図５に示すように圧縮される。
【００３３】
そして、更に、図６に示すように基体部４となる部分の粉体１４を所定量加圧するため上パンチ８を下降すると共に、図示しない下ラム機構によりインナーパンチ１１を予め設定された速度と移動量で上昇させて概略円筒部５を所定量加圧する。このとき、インナーパンチ１１の上昇速度は、上パンチ８の下降速度より遅い速度例えば、半分の速度とする。
次に、図７に示すように上パンチ８を更に下降すると共にインナーパンチ１１を更に上昇させて、粉体１４に十分な圧力Ｐを加える。圧力Ｐとしては、例えば上パンチ８で約２７ｔの荷重により加圧し、インナーパンチ１１で約４ｔの荷重により加圧する。
【００３４】
以上により、成形体の凹凸に関係なく、各部分において一定の圧縮比で紛体１４が独立してプレス成形できるように、各々が個別にプログラム制御で独立して動作することにより、各部分が独立してプレス成形され、圧縮され難い図１に示す概略円筒部５を主体とした箇所が十分に加圧され、全体において緻密化した成形体を得ることができた。
【００３５】
前記の圧縮完了後、図８に示すように上ラム機構で上パンチ８を、成形体のスプリングバックを考慮して緩やかに上昇させる。その後、ダイ９を下降させながら下ラム機構によりインナーパンチ１１を上昇させ、金型から反射鏡基体１となる成形体１５を取り出した。
【００３６】
以上は、上パンチ８と、ダイ９とインナーパンチ１１による、いわゆる三軸による成形であり、これにより有効反射面を有する基体部を主体とする部分と、光源ランプの封止部を保持するために設けた概略円筒部を主体とする部分とを、独立してプレス成形したものである。
【００３７】
前記実施例では、図１に示す反射面部を成形する金型と、概略円筒部５を成形する金型を各々独立して動作させてプレス成形する例を示したが、更に、図９の第２実施例に示すように、前記上パンチ８に形成した成形面８ｃ、すなわち図１に示す囲い部分６の上端面を成形する成形面８ｃを、上パンチ８とは独立して昇降できるようにしたパンチ１６（金型）で形成し、このパンチ１６を図示しない上ラム機構でプログラム制御により独立して昇降するようにし、このパンチ１６を前記図６の工程において個別に下降させて、囲い部分６の上端面を圧縮する、いわゆる四軸としてもよい。このとき、例えばパンチ１６の移動速度は上パンチ８の下降速度よりも遅い半分の速度とする。この図９の第２実施例におけるその他の構造、作動は前記第１実施例と同様である。
【００３８】
以上のような動作で作成した成形体は焼結後も密度が均一であり、応力集中している箇所もないため、本来の石英相当の耐熱強度や機械的強度が得られた。しかも反射鏡とする内面も非常に滑らかであって、かつ反射鏡とする設計値に従う、理想の曲面を示す反射鏡基体が得られた。
【００３９】
このようにして得られた反射鏡基体内面に、真空蒸着機を用いて、酸化珪素−二酸化チタンの薄膜を数十層コーティングすることで、いわゆるうコールドミラーを施し、先の超高圧水銀ランプと光学的に位置調整して組み合わせた光源装置（光源ユニット）は、例えば小型のプロジェクタに、通常は用いない高ワットの１８０Ｗランプとして用いた場合にも、反射鏡は寿命中を通して小さなクラックも生じさせることなく、充分に明るい光源ユニットが得られる。したがって、有意義な、しかも頑丈な光源ユニットとして汎用性に優れる光源ユニットが得られた。
【００４０】
また、反射鏡基体を用いた反射鏡内を、仮に反射鏡最前面で覆うとした場合にできる内容積をＶ（ｃｍ³）とし、共に用いる光源ランプの消費電力をＰ（Ｗ）とした場合に、Ｐ／Ｖ≧２．５（Ｗ／ｃｍ³）であると、硼珪酸ガラスでも上手く冷却することで、数百時間は反射鏡にクラックを発生させることなく耐えるものもできる。しかし、それ以下であると、空冷を上手く設計しても数百時間でクラックを発生させ、著しい場合は壊れてしまうものが発生する。本発明の製造方法により得られた反射鏡であれば、共に用いる熱源としてのランプ材料とほぼ同材料であるので、反射鏡を製造する際に均一な粒度分布とし内部応力を小さくしておくことで、Ｐ／Ｖ≧２．５（Ｗ／ｃｍ³）であっても、仮にランプと接触しても十分に強固な反射鏡となる。
【００４１】
図１０および図１１は第３実施例を示す。
本第３実施例は、前記図１に示す反射鏡基体１における囲い部分６がない反射鏡基体１Ａを製造する場合の例である。
【００４２】
図１０はその囲い部分がない反射鏡基体１Ａを示し、この反射鏡基体１Ａにおける前記図１の囲い部分６以外の部分は前記図１の反射鏡基体と同様であるため、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００４３】
この反射鏡基体１の製造に用いる上パンチは、図１１に示すように、前記第１実施例における上パンチ８の囲い部分成形面８ｂがない上パンチ８Ａを用いる。その他の構造および駆動機構等は前記と同様であるため、前記と同一部品、部分には前記と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４４】
本第３実施例においても、前記第１実施例と同様に各部材を動作することにより、図１０に示すような、囲い部分のない反射鏡基体１Ａを製造することができるとともに、前記第１実施例と同様の効果を有する反射鏡基体１Ａが得られる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のようであるから本発明によれば、少なくとも球状シリカを含む材料を用いて成形される凹面反射鏡基体を得るに、有効反射面を有する基体部を主体とする部分と、光源ランプの封止部を保持するために設けた概略円筒部を主体とする部分とを、独立して押し型（プレス）成形することで、均一な反射鏡基体が得られる。
【００４６】
更に、ランプを反射鏡前面から飛び出さないように配置する上で、該反射鏡の前方に囲いを設ける場合でも、少なくとも球状シリカを含む材料を用いて成形される凹面反射鏡基体は、有効反射面とする基体部を主体とする部分と、光源ランプの封止部を保持するために設けた概略円筒部を主体とする部分と、有効反射面の前方に位置する囲い部分とを、夫々独立して押し型（プレス）成形することで均一な反射鏡基体が得られるので、たとえプロジェクタの小型化に伴い、光源装置にも大幅な小型化要求があっても、充分に精度のよい耐熱性のある、機械的強度に優れた上記した反射鏡を用いることで充分に明るい光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により製造された反射鏡の実施例を示す断面図。
【図２】本発明の製造工程を示すもので、成形前の状態を示す第１の工程図。
【図３】同じく、第２の工程を示す図。
【図４】同じく、第３の工程を示す図。
【図５】同じく、第４の工程を示す図。
【図６】同じく、第５の工程を示す図。
【図７】同じく、第６の工程を示す図。
【図８】同じく、第７の工程を示す図。
【図９】本発明の第２実施例を示す図。
【図１０】本発明の第３実施例を示す反射鏡の断面図。
【図１１】図１０の反射鏡基体を製造する金型等を示す側面図。
【図１２】従来の製造方法を示す図。
【符号の説明】
１，１Ａ反射鏡基体
２光源ランプ
３反射面
４基体部
５概略円筒部
６囲い部分
８上パンチ
９ダイ
１０アウターパンチ
１１インナーパンチ
１２コア
１４紛体

Claims

少なくとも球状シリカを含む粉体材料を加圧成形して凹面反射鏡基体を製造する製造方法であって、
該凹面反射鏡基体における有効反射面を有する基体部を主体とする部分を加圧成形する金型と、光源ランプの封止部を保持するために設けた概略円筒部を主体とする部分を加圧成形する金型が相互に独立して動作する粉体成形装置を用い、
前記両金型の相互の移動速度を相違させて、前記両金型によって、前記両部分の粉体材料のプレス成形を相互に独立して行うとともに該両部分を一連にプレス成形することを特徴とする球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法。
前記粉体成形装置の金型を、型穴（９ａ）を有する昇降可能なダイ（９）と、前記型穴（９ａ）に立設され、前記有効反射面（３）を有する基体部（４）の部分を成形する成形面（１０ａ）を上面に形成したアウターパンチ（１０）と、該アウターパンチ（１０）の内側に昇降可能に設けられ、上面に前記概略円筒部（５）を成形する成形面（１１ａ）を形成したインナーパンチ（１１）と、昇降可能に設けられ、前記有効反射面（３）を有する基体部（４）を成形する反射面成形面（８ａ）を形成した上パンチ（８）とで構成し、前記インナーパンチ（１１）と前記上パンチ（８）の移動速度を相互に相違させることを特徴とする請求項１記載の球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法。
少なくとも球状シリカを含む粉体材料を加圧成形して凹面反射鏡基体を製造する製造方法であって、
該凹面反射鏡基体における有効反射面を有する基体部を主体とする部分を加圧成形する金型と、光源ランプの封止部を保持するために設けた概略円筒部を主体とする部分を加圧成形する金型と、前記有効反射面の前方に位置する囲い部分を加圧成形する金型が相互に独立して動作する粉体成型装置を用い、
前記各金型の相互の移動速度を相違させて、前記各金型によって、前記各部分の粉体材料のプレス成形を相互に独立して行うとともに該各部分を一連にプレス成形することを特徴とする球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法。
前記粉体成形装置の金型を、型穴（９ａ）を有する昇降可能なダイ（９）と、前記型穴（９ａ）に立設され、前記有効反射面（３）を有する基体部（４）の部分を成形する成形面（１０ａ）を上面に形成したアウターパンチ（１０）と、該アウターパンチ（１０）の内側に昇降可能に設けられ、上面に前記概略円筒部（５）を成形する成形面（１１ａ）を形成したインナーパンチ（１１）と、昇降可能に設けられ、前記有効反射面（３）を有する基体部（４）を成形する反射面成形面（８ａ）を形成した上パンチ（８）と、昇降可能に設けられ前記有効反射面の前方に位置する囲い部分を加圧成形するパンチ（１６）とで構成し、前記インナーパンチ（１１）と前記上パンチ（８）と前記パンチ（１６）の移動速度を相互に相違させることを特徴とする請求項３記載の球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法。
前記インナーパンチ（１１）の内側にコア（１２）を昇降可能に設けたことを特徴とする請求項２又は４記載の球状シリカを用いた凹面反射鏡基体の製造方法。