(57)【特許請求の範囲】
【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用基板であって、
前記第１面および前記第２面が、ｃ面であり、
前記第１面および前記第２面に繋がる第３面を有し、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カラーホイール用基板。
【請求項２】
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１に記載のカラーホイール用基板。
【請求項３】
請求項１または２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４】
請求項３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５】
第１面および該第１面の反対に位置する第２面がｃ面であり、前記第１面および前記第２面に繋がる第３面を有す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ことによって、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を複数形成する熱処理工程と、
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６】
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５に記載のカラーホイール用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１８６１３２号公報
【発明の概要】
【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】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】テラス構造層を説明するための模式図である。
【図４】カラーホイール基板の電子顕微鏡（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。
【発明を実施するための形態】
【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、熱膨張係数は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、コンパクトで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、クラックや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の境にあるエッジが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が活発に行われる。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を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、鋳鉄製の定盤と平均粒径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超深度、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を蒸着、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。
【符号の説明】
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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