(57)【要約】【課題】耐熱性に優れ、且つ十分な面精度を確保し、反射面を研磨することなく蒸着膜がつけられるような十分小さな表面粗さにし、且つ有効反射面をより大きく採る事ができ、小型・軽量化が可能で、しかも機械的強度に優れた反射鏡が要求されている。【解決手段】高圧放電ランプユニットにおいて、主成分がＳｉＯ２である反射鏡の内面の反射面に存在する微小凹凸部に、反射鏡と同物質となる高分子無機ポリマーであるポリシラザンを充填塗布した後ＳｉＯ２へ転化させ、微小凹凸面を平滑鏡面化したことを特徴とする光源用反射鏡ならびに、その反射鏡を搭載したことを特徴とする光源ユニットとする。【選択図】          図１
2005029401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主たる成分がＳｉＯ２からなる反射鏡でその内面の反射面に存在する微小凹凸部に反射鏡と同物質となる高分子無機ポリマーであるポリシラザンを充填塗布した後ＳｉＯ２へ転化させ、微小凹凸面を平滑鏡面化したことを特徴とする、光源用反射鏡。
【請求項２】
請求項１の反射鏡内面反射部の塗布層は１層以上の多層塗りであることを特徴とした、光源用反射鏡。
【請求項３】
請求項１又は２項記載の反射鏡を搭載したことを特徴とする光源ユニット
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
液晶プロジェクタなどの投射型光源装置に用いられる、ショートアーク放電ランプと反射鏡とを組み合わせた光源装置に属するものであり、特に、装置の小型化に伴って発生する諸問題を、該ランプと共に用いる反射鏡を主体に解決を図った光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の光源装置に用いられる反射鏡は、硼珪酸塩ガラスからなり、その内表面にコールドミラーを施す事で、ランプから放射される熱線を反射鏡背面から逃がし、可視光を前面に反射するように機能させている。
【０００３】
しかし現今、これら投射型光源装置に要求される装置の小型化においては、硼珪酸塩ガラスの熱膨張係数が大きい為に、ランプ発光部と反射鏡の反射面との最短距離が２ｍｍ以下となるような設計の場合、つまり反射面の温度が５００℃を越えるような状態で利用する場合は、点灯消灯の繰り返しによる熱応力によって反射鏡にクラックを生じたり、極端な場合は破損したりして、プロジェクタ内にその破片が散乱し、大きな問題をもたらしていた。
【０００４】
また、反射鏡の耐熱を向上させる為に、硼珪酸塩ガラスを出発材料とし、押し型でプレス成形後、溶解する温度付近まで再加熱し結晶化させる事で得られる、結晶化ガラスを反射鏡の材料に用いた例もあったが、ガラス成形後、再加熱時に結晶化させる際に焼き縮んだり変形したりするので、寸法精度、特に面精度や、反射面の平滑さの点で充分ではなく、成形後の工程として反射面の化学機械研磨を行い反射面を平滑化させていた。
【０００５】
上記の硼珪酸塩ガラスを材料とする反射鏡は、ランプ破裂に備えて機械的強度を確保するため、平均肉厚を約４ｍｍと厚くしてあるので、寸法は小さくても、かなりの重量があり、頻繁に持ち運びを行なう、ウルトラモバイル系やモバイル系のプロジェクタ用の放電ランプ装置には不向きであった。
【０００６】
また、最近では更に耐熱性の高い石英ガラスが使われ始めている、公知な技術としては、球状シリカを原料として、これに添加剤を加えスラリー化し成形型によるスリップキャスト成形法により成形し、１０−４Ｐａの真空条件下において焼結させる方法がある。（たとえば、非特許文献１、非特許文献２参照）
【０００７】
しかしながら、このスリップキャスト成形法の特徴的な欠点として平滑性を必要とする反射面の面粗さが非常に大きくなる。従って結晶化ガラス反射鏡と同様に後工程での反射面の化学機械研磨が必要となる。
更に、化学機械研磨を行うことにより反射面の平滑化は得られるが面精度を崩してしまうという２次的弊害も生じてしまう。
【０００８】
図２は投射型プロジェクタ用光源装置の光源部の従来例を示したものである。内面をコールドミラーとした回転放物面反射鏡３は、焦点距離（ｆ）が６．５ｍｍ、外側寸法が５２×５６ｍｍである。また中央膨部２の最大径が１０．０ｍｍ、平均肉厚２．５ｍｍであり、内容積が約０．０８ｍｌの放電容器内に電極間距離を１．１ｍｍとし、始動補助ガスとしてのアルゴンガスと共に、チラツキ防止及び、寿命中の黒化防止のために用いる臭化水素を封入し、その他に、バッファ効果のある発光物質としての水銀を１６ｍｇ封入したショートアーク高圧水銀蒸気放電ランプ１を、前記反射鏡の焦点距離付近に配置した、定格消費電力を１５０Ｗとする液晶プロジェクタ用光源装置の光源部の例である。
【０００９】
その反射鏡は、硼珪酸塩ガラスを溶融させ、型押し加工した後、結晶化させ反射部内面の凹凸を化学機械研磨を行うことにより平滑化し製作している、熱膨張係数は約１６×１０−７／Ｋであり、重さが約８０ｇ、焦点付近の底部を厚くし平均ガラス厚みを４ｍｍ程度として、ランプ破裂時の衝撃に機械的に耐えるようにしてあり、ランプシール部までを反射鏡内に納めた構造とし、反射鏡前面に厚さ約４ｍｍの透光性のあるガラス板を設け、寿命中に発生する破裂に耐え得る構造としてランプの破片が外に飛び散らない様にしてある。用いられるプロジェクタ内でファンなどの強制空冷手段がない場合には、リフレクタ内面の、ランプに最も近い箇所では表面温度が５８０℃から６４０℃にもなっている。
【００１０】
通常の硼珪酸塩ガラス（熱膨張係数＝約３６×１０−７／Ｋ）製反射鏡では、耐熱温度（歪温度）がせいぜい４８０℃程度であり、光源装置を小型化する上では耐熱性に乏しいため、寸法精度の劣る結晶化ガラスを用いて、耐熱性のみを確保し、小型化に対応しているのが現状である。
【００１１】
また、単なる硼珪酸塩ガラス製の反射鏡を含めて、量産を考慮して押し型成形で作成するため、押し型（モールド）が、回転放物面を有する押し型部の転写性を十分に確保しても、成形品から離型し易くなる様に、抜きテーパ角度を５度以上としてある。この角度を４度以下とすると、成形時にガラスの一部がモールドにしっかりと固着してしまい、モールドから離型せず、モールド面にガラスの一部が残ってしまって、次のガラス型押し工程時に、不良品を作る原因となったり、モールドそのものを破損したりして問題となるので、抜きテーパ角度を５度以上とする事は、内面の反射有効面積を大きく採りたくても守らなければならない条件であった。そのため、外側寸法は大きく採った場合でも、内面の反射有効面積は、その大きなテーパ角のために意外に小さな面積となってしまっていた。また、ガラス厚みが平均４ｍｍとしているのも、反射鏡と共に用いるショートアーク放電ランプの安定動作時の圧力が、２００気圧にもなる例も紹介されているので、破裂時の破壊エネルギーを考慮すると、硼珪酸塩ガラスを結晶化ガラスとして用いる場合は、機械的強度を得るには必要な厚さであった。
【００１２】
【非特許文献１】
「高純度・透明石英ガラスの省エネルギー型製造技術の開発」、新エネルギー・産業技術総合開発機構（社団法人九州産業技術センター）、平成１２年３月、Ｐ４０〜４９
【非特許文献２】
「高純度・透明石英ガラスの省エネルギー型製造技術の開発」、新エネルギー・産業技術総合開発機構（社団法人九州産業技術センター）、平成１３年３月、Ｐ４８〜５４
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した問題に鑑み、耐熱性に優れ、且つ十分な面精度を確保し、反射面を研磨することなく蒸着膜がつけられるような十分小さな表面粗さにし、且つ有効反射面をより大きく採る事ができ、小型・軽量化が可能で、しかも機械的強度に優れた反射鏡およびそれを用いた光源ユニットを得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために次の構成を有する。
主たる成分がＳｉＯ２からなる反射鏡でその内面の反射面に存在する微小凹凸部に反射鏡と同物質となる高分子無機ポリマーであるポリシラザランを充填塗布した後ＳｉＯ２へ転化させ、微小凹凸面を平滑鏡面化したことを特徴とする、光源用反射鏡ならびに、その反射鏡を搭載したことを特徴とする光源ユニットとする。
【００１５】
前記反射鏡において、反射鏡内面反射部の塗布層は１層以上の多層塗りであることを特徴とした、光源用反射鏡ならびに、その反射鏡を搭載した光源ユニットとする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施例を、図１乃至図８を参照して説明する。
図１は本発明の実施例の一部であって、従来例と同じく定格消費電力を１５０Ｗとする例を示す。また、共に用いる反射鏡は石英ガラス製である。
ショートアーク高圧放電ランプユニットにおいて、一対の電極２７、２７’を有しアーク長が２ｍｍ以下のショートアーク高圧放電ランプ２１は、その膨部２２（発光部）を、該ランプと共に用いる反射鏡２３の焦点付近に配置させてなり、前記反射鏡は少なくとも球状ＳｉＯ２を冷間型押し加工した部分を有し、二酸化珪素を９０％以上含有する石英ガラスからなり、前記放電ランプの発光部と前記反射鏡の反射面との最短距離を２ｍｍ以下としている。また、抜きテーパー角度が少なくとも３度以下の部分を有している。
【００１７】
図１中、２４は凹面反射鏡２３の反射面、２６は放電ランプ２１の口金、２８および２９は放電ランプ２１のモリブデン箔およびモリブデン線、３０は同じく封止部を示す。また３１は口金２６の端子、３２は反射鏡２３の筒部を示し、放電ランプ２１は反射鏡２３の筒部３２内にセメント３３を介して固着されている。
【００１８】
その石英ガラス製反射鏡の製法について記すと、例えば、平均粒径が０．６μｍの球状シリカ（平均粒径を０．３μｍとしたものと、０．６μｍとしたもの、３μｍとしたものの少なくとも一つ以上を用いプレス成形および焼成を行なってみたが、何れも若干の収縮率の違いがあるものの焼結石英成形体と成りえた）に、バインダーとしてポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール等の水溶性樹脂および、ワックス・ステアリン酸等の炭化水素系・脂肪酸系のエマルジョンを２〜５重量％混合して水溶液（スラリー）とし、その後の成形性や分散性を良好にする為にスプレードライアで造粒したものを、押し型の内の第２のモールド（「胴型」や「ボトム」と呼ぶ）に常温下（冷間）で定量を振込み、約７ＭＰａ程度のプレス圧で押し型の内の第１のモールド（「矢型」や「プランジャ」と呼ぶ）で第２のモールドに対して約１０秒間かけてプレス成形し、押し型成形した後、第１のモールドと第２のモールド内に出来たプレス成形品を取り出して、１０００℃程度の酸化性雰囲気のオーブンによりバインダを燃焼させてから、やはり酸化性雰囲気または中性、還元性雰囲気中で石英ガラスの軟化温度以下の１３２０℃に数時間保持して焼結させて作製する。この際、真空加熱炉でも同様に作製できるが、工業的には大気中で加熱する方が、製造コストを小さくする事ができるので、真空ではない加熱炉を用いて作製した。
【００１９】
ここで、プレス成形上りから焼結後に至る過程で、寸法に一定の収縮（約８０％）があるので、焼結後に得たい寸法となる様に、押し型の寸法を大きめに設定する様にする事はいうまでもない。
【００２０】
押し型成形に用いるモールドは、球状シリカを成形するので上手くモールド面を滑る現象があり、モールドの抜きテーパ角度を、溶融ガラスを押し型成形するのに比べ、充分小さく設定できる事が判った。そこで、本実施例では抜きテーパ角は１°としてみたが、反射鏡とする生地を生産する際に、押し型の欠けや大きな磨耗、材料の残渣などを全く発生させなかった。
【００２１】
また、従来の溶融硼珪酸塩ガラスは熱間成形するので、ガラス成分が蒸発し第１のモールド面に焼き付き、数時間使用した後にモールド面を研磨しなくてはならず、研磨を繰り返すためにモールド面が設計値から徐々に外れて反射方向特性が変わってしまうが、この製造方法は冷間で押し型成形するので、その様なことは起こらず、また全くモールド面の研磨が必要ないので押し型の面を損傷させず、凹面鏡の設計値からの面精度誤差が０．０５ｍｍ以内に収まり、十分に面精度を維持できた。
【００２２】
次に、反射鏡内面の面粗さであるが、図３に示すとおり鏡面金型による球状シリカ粉体プレス時には表面に浮き出てきたバインダー４１等の影響も有り十分な鏡面状態を保っている。ここで、図中４２は平均粒径０．６μｍの球状シリカを、４５はプレス面（反射鏡反射面）を示す。
【００２３】
しかし、仮焼成、本焼成を経た反射鏡内面ではバインダーの抜け及び球状シリカの結着した足跡のため図４，図５の様な０．１μｍ〜１μｍ程度の微小な凹凸が出来てしまうことが判明した。なお、図中４３は焼結シリカガラスを示す。この微小凹凸は反射膜を蒸着した際に反射鏡面が薄く曇ったように乱反射を起こした状態となり反射率を落としてしまう原因となる。
【００２４】
本実施例では、この微小凹凸部を平滑化するため、微小凹凸を充填材料で埋めることにより解決した。充填材料としては母材と同じ材質であり透光性のあるＳｉＯ２を用い、ＳｉＯ２の充填の方法としてはポリシラザンを反射鏡面に塗布し焼成または加水分解を利用し形成する方法を用いた。ポリシラザンは
−（ＳｉＨ２ＮＨ）−
を基本ユニットとする有機溶剤に可溶な無機ポリマーで加熱及び水分や酸素と反応し緻密な高純度シリカに転化する材料である。本実施で用いた例えばポリシラザンはクラリアントジャパン株式会社製のＮＰ−１１０、ＮＰ−１４０である。
【００２５】
塗布方法はスプレー、手塗り、フローコートのいずれでも可能であった。膜厚は濃度により違ってくるが１％溶液で１５０℃の電気炉中で３０分の焼成を行なった結果０．１μｍ〜０．３μｍ程の透明なシリカの膜が得られた。この膜厚は現状の表面粗さをある程度十分に改善できるが、図６に示すように、この膜を２層以上に多層化し充填塗布することにより反射鏡として更に十分な平滑反射面を作製することができた。図中４４はポリシラザラン転化ＳｉＯ２多層膜を示す。
【００２６】
また、通常塗布する場合２％以下の濃度が良いとされているが２０％濃度の液をキシレンで５％、１０％、１５％、２０％に調製し、塗布し同様に１５０℃の電気炉で３０分焼成した結果、母材が同物質のため全てにおいて成膜が可能であった、特に２０％溶液のフローコートでは１回塗りで反射面を十分鏡面化する効果が得られた、しかしながら１０％以上の濃度では塗布中にＳｉＯ２の結晶析出化が起きてしまうものがあった。結論として１５〜２０％溶液では塗布雰囲気管理をしっかり行なえば各塗布方法で十分実用に耐えうる膜が形成できた。環境雰囲気中であっても３％〜１０％の溶液であれば手塗り、スプレー、およびフローコートにより単層膜あるいは多層膜を形成すればシリカ膜のクラックや曇り、結晶化も無く簡易に塗布でき実用に耐える膜となりえ、塗布効率も１％〜２％溶液より向上することが判明した。
【００２７】
図７、図８は実際に５％溶液をフローコートにより１層塗りし、窒素雰囲気中に放置、乾燥させた後１５０℃の電気炉中で３０分焼成を行なった本発明の試料と本発明の処理を行う前の試料の１０μｍ角の表面粗さ状態をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察した画像である。
コーティング前では平均面粗さＲａが５０ｎｍ、最大高低差Ｐ−Ｖが８００ｎｍであったのに対しコーティング後では平均面粗さＲａが１ｎｍ、最大高低差Ｐ−Ｖが３０ｎｍと大幅に改善されていることが判った。
以上の結果からも判るとおり反射鏡として十分実用性のある平滑面が本技術により作製することができた。
【００２８】
一方、有効反射面については、外径寸法を硼珪酸塩ガラス製のものと同じとすると、石英ガラス製の反射鏡では抜きテーパ角度を小さく設定できるので、有効反射面を充分大きく採る事ができる事が判明した。そして、石英ガラスの機械的強度が硼珪酸塩ガラスに比べて約１．５倍と大きい事と、熱応力に対しても石英ガラスの熱膨張係数＝６×１０−７／Ｋと充分強固である事から、ガラス肉厚を小さくできるので、３ｍｍと薄肉とし、ランプを強制破裂させ、機械強度を評価したが、何等反射鏡にクラックを発生させる事なく、従って破損する様子は見受けられず、問題を生じさせないことを確認した。そのため、ショートアーク放電ランプ２１を反射鏡の反射面２４に充分近付けて光学的効率を向上させて設計できるなどの有利性がある。
【００２９】
この実施例では、凹面反射鏡２３において反射面２４の回転放物面部の焦点距離を５．５ｍｍとし、ランプ発光部と反射鏡の反射面との最短距離を１．０ｍｍに設計すると、従来の硼珪酸塩ガラスに比較して光学的効率を向上させる事が出来た。
【００３０】
その組み合わせの場合でも、寿命を通じて反射鏡に異常は見受けられず、従来よりも装置の小型化が可能である事が判った。
【００３１】
有効反射面も、押し型の抜きテーパ角度を１度と設定したので、向上させる事ができた。
【００３２】
押し型成形時に充分時間をかけてプレス成形できるので、寸法精度が良好な上に、しかも、重量を約４５ｇと非常に軽量な反射鏡とする事ができ、小型化を狙うウルトラモバイル系や、モバイル系のプロジェクタ用反射鏡としても、またそれと組み合わせた光源装置としても、優れた諸特性を示した。
【００３３】
有効反射面積を硼珪酸塩ガラスと同じに設定した石英ガラス製の反射鏡を用いる場合には、外形寸法が４９．５ｍｍ×５３．５ｍｍ程度となり更に小さく構成出来るので、重量も約４０ｇとなり、硼珪酸塩ガラスで作製したものに比較して半分の重量で済むことも判った。その様に作られた放物面反射鏡（焦点距離ｆ＝５．５ｍｍ）と、定格消費電力１５０Ｗでアーク長１．０ｍｍのショートアーク放電ランプとを組み合わせた光源装置を製作して寿命試験をしてみたが、定格寿命の２０００時間を越えても何ら問題を発生させなかった。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した通り、従来の硼珪酸塩ガラスの代わりに石英ガラスを反射鏡に用いる事によって、耐熱性に優れると共に、反射鏡の焦点距離を小さく選定出来るので光学効率に優れた特性が得られ、主としてウルトラモバイル系やモバイル系と呼称されるプロジェクタに要求される小型化・軽量化に適したショートアーク放電ランプ用反射鏡および光源ユニットを提供できる。
【００３５】
また、押し型（金型）をその都度研磨する煩わしさがない上に、頻繁に研磨が行なわれないため押し型の内面形状は設計値から外れることなく金型維持が出来るので金型寿命にも優れるという付随的効果がある。
【００３６】
本発明では、反射鏡は球状シリカで成形するので、金型と成形品との離型性に優れるため、抜きテーパ角度を小さく選ぶ事ができ、従って反射面積を充分大きくし、有効反射面を大きく採れる反射鏡が得られるので、更なる小型化要求にも対応できる。同時に、機械的強度にも優れるので反射鏡の薄肉化が図れる。
【００３７】
本発明では、反射鏡は球状シリカで成形するので、反射鏡の表面粗さは従来の反射鏡よりも小さいが、更に粗さを小さくする為に表面加工を施しても設計値から大きくずれない反射鏡が得られるので反射特性も優れた高効率の反射鏡が得られる。
【００３８】
また、本発明では、反射鏡の内面の微小凹凸を同物質によりコーティングすることにより平滑鏡面化し従来行なっていた研磨により設計値どおりに作られた成形品の面精度を壊すことなく高耐熱、高効率で設計値どおりの反射鏡が得られる。
【００３９】
さらに、本発明の反射鏡に関するコーティング平滑化は石英ガラス製反射鏡に限らず結晶化ガラスなどＳｉＯ２を主原料とする反射鏡などにも使用できる。
【００４０】
その様な石英ガラス製の反射鏡と組み合わせたショートアーク放電ランプとしての光源ユニットは、充分に投射型光源装置の小型化要求を満たす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す光源ユニットの光源部の概略断面図
【図２】従来の典型的な光源装置の光源部の概略断面図
【図３】本発明反射鏡のプレス直後の球状ＳｉＯ２の状態概略図
【図４】本発明反射鏡の仮焼成直後の球状ＳｉＯ２の状態概略図
【図５】本発明反射鏡の本焼成直後の球状ＳｉＯ２の状態概略図
【図６】図５の表面を拡大した部分にポリシラザンを多層塗布して鏡面化した概略図
【図７】本発明反射鏡のＡＦＭでの表面粗さ測定結果（鳥瞰図）
【図８】本発明の処理を行う前の反射鏡のＡＦＭでの表面粗さ測定結果（鳥瞰図）
【符号の説明】
１，  ２１・・・ショートアーク放電ランプ
２，  ２２・・・膨部
３，  ２３・・・凹面反射鏡
４，  ２４・・・反射面
５，  ・・・前面カバーガラス
６，  ２６・・・口金
７，  ２７・・・電極
８，  ２８・・・モリブデン箔
９，  ２９・・・モリブデン線
１０，  ３０・・・封止部
１１，  ３１・・・端子
１２，  ３２・・・筒部
１３，  ３３・・・セメント
４１・・・バインダー
４２・・・平均粒径０．６μｍ球状シリカ
４３・・・焼結シリカガラス
４４・・・ポリシラザン転化ＳｉＯ２多層膜
４５・・・プレス面（反射鏡反射面）
【図１】
2005029401.tif 000003
【図２】
2005029401.tif 000004
【図３】
2005029401.tif 000005
【図４】
2005029401.tif 000006
【図５】
2005029401.tif 000007
【図６】
2005029401.tif 000008
【図７】
2005029401.tif 000009
【図８】
2005029401.tif 000010