CN101301776B - 微透镜复制成形辊的制造方法及制造装置 - Google Patents

Abstract

一种用以在片材上复制成形多个微透镜的微透镜复制成形辊(1)，在辊的外周面上，沿着以辊的轴为中心轴的1条螺旋线(6)，以一定节距排列多个微透镜成形面(5)。

Description

微透镜复制成形辊的制造方法及制造装置

技术领域

本发明涉及在辊的外周面上形成有微透镜成形面的微透镜复制成形辊，该微透镜复制成形辊的制造方法、制造装置及微透镜光学片。 

背景技术

微透镜阵列用于通过光的聚焦、扩散、反射、衍射等进行控制的领域，例如液晶显示器、光耦合光学元件、图像输入装置等领域，。 

微透镜阵列是将外径约10～300μm左右大致圆形的形状，深度0.6～50μm的凹透镜或凸透镜等的微小单元透镜面状地排列的装置，通常，各透镜大多用以中心成轴对称的球面或非球面形状来设计。 

以往，作为制造微透镜阵列的方法，有公开在文献1(特开20002-144348号公报)上的钻削方式。 

该钻削方式是这样一种方法，即，周旋转驱动装置相对于旋转的金刚石刀具，将基板配置成可向三维方向移动，首先，使基板接近金刚石刀具，形成1个微透镜成形用凹陷后，使基板从金刚石刀具离开，接着，使基板向规定方向移动并定位后，在该位置使基板接近金刚石刀具，形成下一个微透镜成形用凹陷，重复上述操作，在基板的表面上形成多个微透镜成形用凹陷。 

另外，作为另一方法，有公开在文献2(2007年度精密工学春季大会学术讲演会讲演论文集的「由金刚石切削产生的微小透镜阵列模具的超精密加工」(平成19年3月1日发行))的辊切削加工方法。 

该辊切削加工方法是这样一种方法，即，使辊以该辊的轴为中心旋转的同时，使前端圆弧状的金刚石刀具相对于辊以高速进退，在辊的外周面上依次形成凹状的透镜成形面，加工完辊1圈的量后，使金 刚石刀具向辊的轴向移动(通常，移动1个透镜大小的间隔)并定位，在该位置上重复上述的动作，从而在辊的外周面上形成透镜成形面。 

在上述文献1公开的钻削方式中，加工1个透镜成形面需要1秒左右的时间。因此，如果在微透镜图案光学片全片上进行数十微米尺寸的密集图案加工，则需相当多的加工日数。 

另外，在文献2所公开的辊切削加工方法中，透镜图案的排列精度受到加工透镜图案的位置控制方法的影响。在使用该文献2所公开的方法时，将辊的旋转位置用外部的位置传感器辨识，由于将该位置传感器的信号作为触发器使金刚石刀具进退，会因位置传感器的灵敏度或触发信号的传输速度的误差等原因，在金刚石刀具进退定时上发生偏差，存在着透镜图案的加工位置偏差的课题。 

还有，在该方法中，将辊旋转1圈的透镜图案加工结束后，暂且停止金刚石刀具的进退动作，同时使金刚石刀具向辊的轴向移动1个透镜的量后，根据位置传感器的信号再进行1圈透镜图案加工。由于重复这一连串的动作的方法，在辊的整体范围内进行透镜图案加工时，由于透镜图案加工的停止以及金刚石刀具的移动时间为非加工时间，存在着作业效率低的课题。 

发明内容

本发明的主要目的在于解决这样的课题，提供可用简单的结构高效地形成高精度的微透镜图案的微透镜复制成形辊、该微透镜复制成形辊的制造方法、制造装置及微透镜光学片。 

本发明的微透镜复制成形辊是用以在光学片上复制成形多个微透镜的微透镜复制成形辊，其特征在于，在上述辊的外周面上，沿着将上述辊的轴为中心的1条螺旋线，以一定节距排列多个微透镜成形面。 

依据该结构，由于多个微透镜成形面是在辊的外周面上，沿着以辊轴为中心轴的1条螺旋线以一定节距排列的结构，若控制刀具的 移动动作和辊的旋转动作，使刀具的轨迹沿辊的外周面描绘1条螺旋线，则可将全部的微透镜成形面沿1条螺旋线连续地加工。因而，能够用简单的结构高效且高精度地形成微透镜图案。 

本发明的微透镜复制成形辊的制造方法是制造上述微透镜复制成形辊的制造方法，其特征在于，包括：使辊坯以辊坯的轴为中心旋转的辊旋转工序；使前端刀口形状为圆弧状的刀具向上述辊坯的轴向移动的刀具移动工序；使上述刀具相对于上述辊坯以一定周期进退的刀具进退工序；一边控制上述辊旋转工序、上述刀具移动工序及上述刀具进退工序，一边在上述辊坯的外周面上，沿着以上述辊坯的轴为中心轴的1条螺旋线，以一定节距切削加工多个微透镜成形面。 

依据该结构，通过同步地控制辊旋转工序、刀具移动工序及刀具进退工序，可以在辊坯的外周面上，沿着以辊坯的轴为中心轴的1条螺旋线，以一定节距连续切削加工多个微透镜成形面。 

因而，如背景技术中举例的辊切削加工方法那样，由于不需要位置传感器或触发传递机构等，不会发生起因于位置传感器的灵敏度和触发传递速度的误差等的透镜图案的加工位置偏差。因此，可以进行高精度的透镜图案加工。加之，由于无需中断透镜图案加工来使刀具移动，可缩短加工时间。 

在本发明的微透镜复制成形辊的制造方法中，控制上述辊旋转工序、上述刀具移动工序及上述刀具进退工序，每转过2圈沿上述辊坯的外周面的上述螺旋线，使上述螺旋线在上述辊坯的轴向移动上述微透镜成形面的约略外径×√2，理想的情况是，控制上述刀具进退工序，使得在上述辊坯的轴向上相邻的微透镜成形面的间隔成为上述微透镜成形面的约略外径×√2。 

依据该结构，进行这样的控制：沿着使螺旋线每2圈螺旋线在辊坯的轴向上移动微透镜成形面的约略外径×√2的轨迹，连续加工微透镜成形面，而且，在辊坯的轴向上，相邻的微透镜成形面的间隔成为微透镜成形面的约略外径×√2。从而可以使多个微透镜成形面在 辊坯的外周面上规则而密集地加工。因此，能够使以此复制成形的光学片的光学性能提高。 

在本发明的微透镜复制成形辊的制造方法中，控制上述辊旋转工序、上述刀具移动工序及上述刀具进退工序，使上述螺旋线每2圈沿上述辊坯外周面的上述螺旋线在上述辊坯的轴向上移动上述微透镜成形面的约略外径，最好与此同时，控制上述刀具进退工序，使在上述辊坯的轴向上相邻的微透镜成形面的间隔成为上述微透镜成形面的约略外径。 

依据该结构，进行这样的控制：沿着每2圈螺旋线在辊坯的轴向上移动微透镜成形面的约略外径的螺旋线轨迹，连续加工微透镜成形面，而且在辊坯的轴向上，相邻的微透镜成形面的间隔成为微透镜成形面的约略外径，因此，能够提高辊坯外周面上成形的微透镜成形面的密度，并能进一步提高以此方式复制成形的光学片的光学性能。 

在本发明的微透镜复制成形辊的制造方法中，最好这样进行切削加工，使得在上述螺旋方向和上述辊坯的轴向上相邻的上述微透镜成形面之间留有未切削加工的上述辊坯的外周表面部分。 

依据该结构，由于在螺旋方向和辊坯的轴向上相邻的微透镜成形面之间留有未切削加工的辊坯的外周表面部分，可通过测量该部分的宽度尺寸等检查微透镜成形面的形状精度和排列规则性。因而，能够容易地进行所制造的微透镜复制成形辊的检查。 

本发明的微透镜复制成形辊的制造装置是制造上述微透镜复制成形辊的制造装置，其特征在于，该装置设有：使辊坯以辊坯的轴为中心旋转的辊旋转系统；使前端刀口形状为圆弧状的刀具在上述辊坯的轴向上移动的刀具移动系统；使上述刀具相对于上述辊坯以一定周期进退的刀具进退系统；以及一边控制上述辊旋转工序、上述刀具移动系统及上述刀具进退系统，一边在上述辊坯的外周面上沿着以上述辊坯的轴为中心轴的1条螺旋线形成多个微透镜成形面的控制系统。 

依据该结构，比如也可用例如车床等机床设备进行加工。用车床 加工时，主轴箱使辊坯以辊坯的轴为中心旋转，在该状态下，只要一边使被在刀架上的刀具向辊坯的轴向移动，一边使刀具以一定周期相对于辊坯进退，就可沿着以辊的轴为中心轴的1条螺旋线，在辊的外周面上以一定节距形成多个微透镜成形面，从而可以用简单的结构高效地连续形成微透镜成形面的图案。因而，具有可用简单的装置和机械制造微透镜复制成形辊的优点。 

本发明的微透镜光学片的特征在于，用上述微透镜复制成形辊复制成形。 

依据该结构，多个微透镜成形面用在辊的外周面上沿着1条螺旋线排列而成的微透镜成形辊复制成形，也就是微透镜成形面规则排列且密集形成，因此可得到光学性能优良的微透镜光学片。 

附图说明

图1A是表示本发明的微透镜复制成形辊的一实施例的图。 

图1B是表示本发明的微透镜复制成形辊的一实施例的图。 

图2A是表示本发明的微透镜复制成形辊的另一实施例的图。 

图2B是表示本发明的微透镜复制成形辊的另一实施例的图。 

图3是表示本发明的制造装置的实施例的平面图。 

图4是表示在同上实施例中刀具的透视图。 

图5A是表示同上实施例中制造工序的平面图。 

图5B是表示同上实施例中制造工序的侧面图。 

图5C是表示同上实施例中制造工序的平面图。 

图6是表示本发明的微透镜光学片的制造方法的图。 

图7是表示本发明的微透镜复制成形辊的变形例的图。 

具体实施方式

以下，根据附图说明本发明的实施例。 

<微透镜复制成形辊：参照图1A～图2B> 

如图1A至图2B所示，微透镜复制成形辊1、2具有：复制成形辊部3；设在该复制成形辊部3的轴向两端的支承轴部4。沿着以复制成形辊部3的轴为中心轴的1条螺旋线6，在复制成形辊部3的外周面上以一定节距排列多个微透镜成形面5。辊1、2的微透镜成形面5以外径约10～300μm程度的大致圆形状、深度0.6～50μm的凹形球面状形成。 

在这样的微透镜复制成形辊1、2中，由于多个微透镜成形面5沿着以复制成形辊部3的轴为中心轴的1条螺旋线6在复制成形辊部3的外周面上以一定节距排列形成，例如在用刀具进行切削加工的情况下，控制刀具在辊的轴向上移动和微透镜复制成形辊1、2的旋转速度，使刀具的轨迹沿复制成形辊部3的外周面描绘1条螺旋线，就可以沿1条螺旋线6连续地加工全部的微透镜成形面5。因而，可用简单的结构高效地形成微透镜图案。 

在图1A及图1B所示的微透镜复制成形辊1中，每转过2圈沿复制成形辊部3的外周面的螺旋线，螺旋线6在复制成形辊部3的轴向上移动微透镜成形面5的约略外径D×√2，而且，在复制成形辊部3的轴向上相邻的微透镜成形面5的间隔成为微透镜成形面5的约略外径D×√2。也就是，在螺旋线6方向和复制成形辊部3的轴向上相邻的微透镜成形面5隔着间隙排列，而且，其间隔成为微透镜成形面5的约略外径D×0.4。 

如果采用这样的构成方式，则可控制成：沿着每转过2圈螺旋线使螺旋线6在复制成形辊部3的轴向上移动微透镜成形面5的约略外径D×√2的轨迹，连续加工微透镜成形面5，而且在复制成形辊部3的轴向上相邻的微透镜成形面5的间隔成为微透镜成形面5的约略外径D×√2，因此，可以规则且密集地在复制成形辊部3的外周面上加工出多个微透镜成形面5。因而，也能够使由此被复制成形的光学片的光学性能提高。 

在示于图2A及图2B的微透镜复制成形辊2中，每转过2圈沿复 制成形辊部3的外周面的螺旋线，螺旋线6在复制成形辊部3的轴向上移动微透镜成形面5的约略外径D的量，而且，在复制成形辊部3的轴向上相邻的微透镜成形面5的间隔成为微透镜成形面5的约略外径。也就是，在螺旋线6方向上相邻的微透镜成形面5隔着间隙(微透镜成形面5的约略外径D×0.4左右的间隙)进行配置，而且，在复制成形辊部3的轴向上相邻的微透镜成形面以接续的状态排列。 

若采用这样的构成方式，则可控制成：沿着每转过2圈螺旋线使螺旋线6在复制成形辊部3的轴向上移动微透镜成形面5的约略外径D的轨迹，连续地加工微透镜成形面5，而且在复制成形辊部3的轴向上相邻的微透镜成形面5的间隔构成为微透镜成形面5的约略外径D，因此可提高在复制成形辊部3的外周面上成形的微透镜成形面5的密度，也能够改善该辊复制成形的光学片的光学性能。 

<制造装置：参照图3～图4> 

有关本实施例的微透镜复制成形辊的制造装置如图3所示，设有：机座11；在该机座11上方，使隔开间隔而装夹的辊坯7(具有复制成形辊部3及支承轴部4的辊坯7)以辊坯7的轴为中心旋转的主轴箱12及顶尖座13；在机座11上方设置成可往复移动的往复移动台14；使该往复移动台14向辊坯7的轴向往复移动的往复移动机构15；设置在往复移动台14的上方的、可在与辊7的轴正交的方向上进退并保持刀具21的刀架16；使该刀架16相对于辊坯7以一定周期进退的进退机构17；以及作为控制主轴箱12、往复移动机构15及进退机构17的控制系统的控制装置18。 

主轴箱12由主轴箱主体部12A、设在该主轴箱主体部12A上的马达12B和联接在该马达12B的输出轴上的卡盘机构12C构成。用卡盘机构12C夹住辊坯7的一个支承轴部4，辊坯7的另一支承轴部4用顶尖座13可旋转地支持，在此状态下使马达12B旋转驱动，该马达12B的旋转使辊坯7以辊坯7的轴为中心旋转。这里，由主轴箱12和顶尖座13构成使辊坯7以其轴为中心旋转的辊旋转系统。 

往复移动机构15例如由螺纹接合在往复移动台14上并沿着机座11被可旋转支持的送进丝杠15A和使该送进丝杠15A旋转的马达15B构成。这里，由往复移动台14和往复移动机构15构成使刀具21在辊坯7的轴向上移动的刀具移动系统。 

进退机构17由联接在刀架16上的联接轴17A和联接在该联接轴17A上的高速往复振动机构17B构成。高速往复振动机构17B由层叠多个压电元件的压电元件层叠体构成。这里，由刀架16和进退机构17构成使刀具21相对于辊坯7以一定周期进退的刀具进退系统。 

如图4所示，刀具21由固定在刀架16上的刀体22和装在该刀体22的前端的金刚石制刀片23构成。刀片23的前端刀口形成为圆弧状。 

<微透镜复制成形辊的制造方法：参照图3～图5> 

为了制造微透镜复制成形辊1、2，以该辊坯7的轴为中心使辊坯7旋转(辊旋转工序)，在该状态下，一边使前端刀口形状为圆弧状的刀具21向辊坯7的轴向移动(刀具移动工序)，一边使刀具21相对于辊坯7以一定周期进退(刀具进退工序)。 

若刀具21相对于辊坯7以一定周期进退，则在辊坯7旋转到1圈的过程中，如图5A及图5B所示，在辊坯7的外周面上沿螺旋线6的一定节距位置上，形成以圆形凹陷的微透镜成形面5。 

如果辊坯7旋转超过1圈并进入第2圈，则如图5C所示，微透镜成形面5接连形成在先前(第1圈上)形成的微透镜成形面5之间。 

这时，沿着每转过2圈沿复制成形辊部3的外周面的螺旋线、螺旋线6在复制成形辊部3的轴向上移动微透镜成形面5的约略外径D×√2的轨迹，每隔一定节距使刀具21相对于复制成形辊部3以一定周期进退，可得到示于图1A及图1B的微透镜复制成形辊1。也就是得到在复制成形辊部3的轴向上相邻的微透镜成形面5的间隔成为微透镜成形面5的约略外径D×√2的微透镜成形面图案。 

另外，沿着每转过2圈沿复制成形辊部3的外周面的螺旋线、螺 旋线6在复制成形辊部3的轴向上移动微透镜成形面5的约略外径D的轨迹，每隔一定节距使刀具21相对于复制成形辊部3以一定周期进退，可得到示于图2A及图2B的微透镜复制成形辊2。也就是得到在复制成形辊部3的轴向上相邻的微透镜成形面5的间隔成为微透镜成形面5的约略外径D的微透镜成形面图案。 

依据这样的制造装置和制造方法，如在背景技术中举例的辊切削加工方法那样，由于不需要位置传感器和触发传递机构等，不会发生起因于位置传感器的灵敏度和触发传递速度的误差等的透镜图案的加工位置偏差。因此，能够实现高精度的透镜图案加工。加之，由于不需要中断透镜图案加工来使刀具移动，可以缩短加工时间。 

另外，也可以利用车床等机床设备来进行加工。即如图3所示，用主轴箱12和顶尖座13使辊坯7以辊坯7的轴为中心旋转，在这种状态下，一边使装在刀架16上的刀具21向辊坯7的轴向移动，一边使其相对于辊坯7以一定周期进退，可沿着以辊坯7的轴为中心的1条螺旋线，在辊坯7的外周面上以一定间隔形成多个微透镜成形面5，因此，能够用简单的结构高效地连续形成微透镜成形面的图案。因而，具有可用简单的装置和机械来制造微透镜复制成形辊的制造装置的优点。 

<微透镜光学片：参照图6> 

如图6所示，将微透镜复制成形辊1、2与压紧辊31对向配置，从成形辊1、2与压紧辊31之间压出成形片32。这时，预先加热成形辊1、2、压紧辊31或成形片32，则容易使成形片32成形。 

于是，在压出的成形片32的表面上复制出在微透镜复制成形辊1、2的外周面上的微透镜成形面5。也就是，可以得到面状地形成了凸状的多个微透镜33的微透镜光学片34。 

依据这样制造的微透镜光学片34，由于用在辊外周面上沿1条螺旋线排列的微透镜复制成形辊1、2复制成形多个微透镜成形面5，也就是，由于微透镜成形面5规则排列且密集形成，可以得到光学性能 优良的微透镜光学片34。 

<变形例> 

本发明不限定于上述实施例，凡可达成本发明目的之范围内的变形、改良等均包含在本发明中。 

在上述实施例中，以接续的状态成形在螺旋方向和辊坯7的轴向上相邻的微透镜成形面5，但并不以此为限，也可用其它的构成方式来成形。 

例如，如图7所示，也可以这样来进行切削加工，使在螺旋方向及辊的轴向上相邻的微透镜成形面5之间留有未切削加工的辊坯7的外周表面部分。 

依据这种构成方式，由于螺旋方向及辊的轴向上相邻的微透镜成形面5之间留有未切削加工的辊坯7的外周表面部分，可通过测量该部分的宽度尺寸等检查微透镜成形面5的形状精度和排列规则性等。因而，可容易地进行所制造的微透镜复制成形辊的检查。 

Claims (5)

1.一种用以在片材上复制成形多个微透镜的微透镜复制成形辊的制造方法，其特征在于，包括：

使辊坯以该辊坯的轴为中心旋转的辊旋转工序；

使前端刀口形状为圆弧状的刀具向所述辊坯的轴向移动的刀具移动工序；以及

使所述刀具相对于所述辊坯以一定周期进退的刀具进退工序，

一边控制所述辊旋转工序、所述刀具移动工序以及所述刀具进退工序，一边沿着以所述辊坯的轴为中心轴的1条螺旋线，在所述辊坯的外周面上以一定节距切削加工多个微透镜成形面。

2.如权利要求1所述的微透镜复制成形辊的制造方法，其特征在于，

控制所述辊旋转工序、所述刀具移动工序及所述刀具进退工序，以使得沿所述辊坯的外周面的所述螺旋线每转过2圈，所述螺旋线在所述辊坯的轴向上移动所述微透镜成形面的大约

同时

控制所述刀具进退工序，以使得在所述辊坯的轴向上相邻的微透镜成形面的间隔成为所述微透镜成形面的大约

3.如权利要求1所述的微透镜复制成形辊的制造方法，其特征在于，

控制所述辊旋转工序、所述刀具移动工序及所述刀具进退工序，沿所述辊坯的外周面的所述螺旋线每转过2圈，所述螺旋线在所述辊坯的轴向上移动所述微透镜成形面的大约外径，同时

控制所述刀具进退工序，以使得在所述辊坯的轴向上相邻的微透镜成形面的间隔成为所述微透镜成形面的大约外径。

4.如权利要求2或权利要求3所述的微透镜复制成形辊的制造方法，其特征在于，

进行切削加工，以使得在所述螺旋方向和所述辊坯的轴向上相邻的所述微透镜成形面之间留有未切削加工的所述辊坯的外周表面部分。

5.一种用以在片材上复制成形多个微透镜的微透镜复制成形辊的制造装置，其特征在于，包括：

使辊坯以该辊坯的轴为中心旋转的辊旋转装置；

使前端刀头形状为圆弧状的刀具向所述辊坯的轴向移动的刀具移动装置；

使所述刀具相对于所述辊坯以一定周期进退的刀具进退装置；以及

一边控制所述辊旋转装置、所述刀具移动装置及所述刀具进退装置，一边沿着以所述辊坯的轴为中心轴的1条螺旋线，在所述辊坯的外周面上形成多个微透镜成形面的控制装置。

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