JP4442198B2 - プラスチックシート加工用成形型及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学パターンが形成されるプラスチックシート、特に背面投写型ディスプレイ装置用プラスチックシートの光学パターンの形成に用いられるプラスチックシート加工用成形型及びその製造方法に関する。

リアプロジェクションテレビと称される背面投写型ディスプレイ装置は、通常、光源、映像表示体、投影レンズの各構成を具備したプロジェクターから投影される映像光が、フレネルレンズを有するフレネルレンズシート、レンチキュラーレンズを有するレンチキュラーレンズシ−ト等からなる背面投写型ディスプレイ装置用スクリ−ンを介して、観察者に到達するように構成されている。この背面投写型ディスプレイ装置用スクリ−ンは、概ねフレネルレンズ、レンチキュラーレンズ、拡散板の３種類の光学部品から構成されている。
背面投写型ディスプレイ装置用スクリ−ンは、一般的に、水平方向に広く拡散し、垂直方向へは、水平方向より狭く拡散するような光学機能を求められているので、水平方向の拡散は、レンチキュラーレンズが、垂直方向の拡散は、光拡散剤が分散された光拡散板や光拡散シートが用いられることが多い。
このうち、レンチキュラーレンズシートは、半円柱状凸レンズが並列するシリンドリカルレンズを一列に配置した構造となっているので、製造には円筒状のシリンダー（多くは金属製）の円周方向にシリンドリカルレンズ形状に対応するリング状の溝を長さ方向に連続して形成した版を用いて、シリンダーの版面から紫外線硬化型樹脂または電子線硬化型樹脂、熱硬化型樹脂、あるいは熱可塑性樹脂などのプラスチックフィルムやプラスチックシートに、そのシリンドリカルレンズ形状を転写する。このようにシリンダーからプラスチックフィルムやプラスチックシートにシリンドリカルレンズ形状の転写であるため、レンチキュラーレンズシートの製造が極めて容易であり、生産性も高い。
また、レンチキュラーレンズのシリンドリカルレンズ形状に対応するリング状の溝の形成には、例えば旋盤を用いれば、容易かつ精度よくシリンダーに版を形成することができる。

ところで、現在の背面投写型ディスプレイ装置には、スクリーンの光学的性能の向上が求められており、その有効な手段のひとつとして、水平方向の視野角を制御するレンチキュラーレンズの機能と、垂直方向の視野角を制御する拡散板の機能とを併せ持つ、マイクロレンズ構造を有するマイクロレンズシートが提案されている。

従来から知られているマイクロレンズの種類には、表面がレリーフパターンである凸レンズ形状やフレネルレンズ形状などがあり、これらは樹脂または無機材料を用いて形成されている。また、表面が平坦で樹脂または無機材料中に屈折率分布を有するものや、表面形状と屈折率分布とを兼ね備えたものもある。

上記した従来のマイクロレンズの形成方法として、凸レンズ形状の樹脂で形成する場合は、フォトリソグラフィー技術によって表面に、例えば円柱状のパターンを形成したのち、加熱して流動させ、表面張力によって球面状のマイクロレンズパターンを形成する方法があり、また、無機材料で凸レンズ形状を形成には、エッチング、研磨等の加工技術を応用した球面状のマイクロレンズパターンを形成する方法がある（特許文献１、特許文献２）。

また、樹脂または無機材料でフレネルレンズ形状の形成には、フォトレジストを用いて、電子線あるいはレーザー光を使用して描画してマイクロレンズパターンを形成する方法がある。

さらに、表面が平坦で屈折率分布を有するものは、ガラス基板に所定のパターンが形成されたマスクを配置し、イオン交換あるいはイオン注入によって形成する方法、また樹脂中で屈折率の異なるモノマーを分布させてから重合する方法などがある（特許文献３）。

表面の凹凸からなるマイクロレンズは、その形状を転写によって複製が可能であり、その複製の母型には、ニッケル等の金属製の金型を用いることができる。このような金型を用いた複製方法では、複製材料が樹脂の場合は、射出成型、プレス成型、ロール成型、カレンダー成型、注型重合など一般によく知られた生産性に優れ、かつ安価な成型方法を用いることができる。

また、成型樹脂と金型を用いた他の成型方法に、透明基板上に液体状の感光性樹脂を塗布し、感光性樹脂上に金型を配置し、紫外線または可視光線を照射して感光性樹脂を硬化させた後、金型から外す２Ｐ法がある。この２Ｐ法は、生産性に優れるとともに寸法安定性を有し、さらに成型樹脂の膜厚を小さくすれば、優れた光学特性が得られるとする特徴を有する。

しかしながら、上記した従来のマイクロレンズ製造方法のうち、フォトレジスト等で凸レンズパターンを形成する方法は、パターン形状のコントロールが難しい、再現性が悪い、またフォトレジストの耐久性が悪いなどの問題があり、また無機材料で凸レンズパターンを形成する方法は生産性が悪い問題があり、またフレネルレンズ形状を描画する方法も、描画時間が長いため、生産性に欠ける問題がる。さらに、ガラス等の無機材料中に屈折率分布を形成する方法は、イオン交換またはイオン注入に長い時間を要するために、生産性が悪く、樹脂で屈折率分布を形成する方法も、条件コントロールが難しくて再現性が悪いという問題がある。

これに対して、特許文献４、５、６に記載されるように表面に微細な凹凸を形成した金型を用いた樹脂シートに、その凹凸形状を転写するロール法によるマイクロレンズの形成は、生産性の面で有利である。
特開平６−１９４５０２号公報 特開平５−１５０１０３号公報 特開平６−５９１０２号公報 特開平９−３２７８６０号公報 特開平１１−４２６４９号公報 特開２００３−１２１６１２号公報

ところで、個々の独立した微細な光学機構を示すパターン、例えば、プリズム構造やレンズ構造などは、旋盤のような回転方向に対して一様な構造を加工するのではなく、微細かつ形状を高精度とする必要があり、とくに転写する光学パターンの微細な凹凸構造に対応する凹凸構造をシリンダー上に敷き詰めた状態に形成する場合にシリンダー表面の加工時間、加工精度などの面で困難性があり、とくに加工面が大面積の場合により大きな困難性がある。

また、マイクロレンズシートを構成する個々の独立したレンズ構造は、その光学機能を発揮させるために、その精度とともにレンズ面の仕上りが、レンズ構造の形成後の研磨などが不要な鏡面状態とする必要があり、さらにレンズがスクリーンに用いるには非球面化を施す必要があり、さらには、トーリック面など回転非対称な形状あるいは幾何学的構造に縛られない自由曲面とすることが要求されることもあるため、金型、とくにシリンダー表面に転写面となるレンズ構造に対応した型の形成に困難性がある。

そこで、本発明は上記の課題を解決すべくなされたものであり、シート状またはフィルム状に光学パターンを形成してなるマイクロレンズなどの光学物品の製造において、微細な光学パターンが形成可能な加工精度及び仕上り精度を有し、かつ安価であり、生産性の高い、とくに背面投写型ディスプレイ装置用プラスチックシートの光学パターンの形成に用いられるプラスチックシート加工用成形型及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するものであり、請求項１に記載の発明は、平面基板又はシリンダ状基板上に金属或いは樹脂からなる加工層を備え、加工層は球面形状または非球面形状の凹部を二次元方向に連続して加工形成してなる幾何学状の繰り返し構造を有し、凹部の表面が平均粗さＲａ＜１μｍの表面粗さ（JIS B 0601-1994）を有することを特徴とするプラスチックシート加工用成形型である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプラスチックシート加工用成形型において、凹部の長手方向の大きさが５０〜１００μｍの範囲であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のプラスチックシート加工用成形型において、加工層上に保護層を形成してなることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のプラスチックシート加工用成形型において、凹部は、その長手方向の断面形状における曲率が長手方向と直交する方向の断面形状における曲率よりも小さくしてなるトーリック面形状であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のプラスチックシート加工用成形型において、トーリック形状は、曲率の小さな断面を球面とし、曲率の大きな断面を楕円としてなることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載のプラスチックシート加工用成形型において、トーリック面形状は回転非対称であることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、平面基板又はシリンダ状基板上に金属或いは樹脂からなる加工層を設け、加工層に平均粗さＲａ＜１μｍの表面粗さを有する球面形状または非球面形状の凹部を、その形状に応じた刃を用いて順次切削加工又はルーター加工により二次元方向に連続して加工形成し、幾何学状繰り返し構造としてなることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、平面基板又はシリンダ状基板上に金属或いは樹脂からなる加工層を設け、平均粗さＲａ＜１μｍの表面粗さを有する球面形状または非球面形状の凹部を１つ又は複数個形成したマスター版のパターンを前記加工層に順次二次元方向に連続して転写形成し、幾何学状繰り返し構造としてなることを特徴とするプラスチックシート加工用成形型の製造方法である。

本発明の構成によれば、マイクロレンズ構造のレンズシートをパターン形成が可能なシリンダーの高速加工ができ、レンズ面の仕上りが鏡面状態となる微細なレンズ構造の形成が可能な金型であるシリンダーを得ることができる。
また、加工方法を選択することにより、型の加工素材選定の幅を広げることができ、さらに、形状の自由度を広げることができる。切削刃やルーター刃による切削、小面積のマスター版を用いた複版を行い、金型面に微細なレンズ構造を有するシリンダーが得ることができる。
以下、具体的に説明する。

図１は、本発明のプラスチックシート加工用成形型の一実施例であるシリンダーの外観図であり、図２は、本発明のプラスチックシート加工用成形型表面の構造を拡大表示した説明図である。
シリンダー１は、ロール保持部２とその周囲に鉄芯あるいはアルミ中空構造からなる保持層３であり、その外側に微細な凹凸構造を設ける加工層４が形成される。
この保持層５は、充分な機械的強度と軽量化の両立が可能な素材から選択することができる。例えば、鉄又はその合金を素材とした場合、保持層３の肉厚は１０ｍｍ以上とすることが強度上望ましい。またアルミ又はその合金を素材とした場合は、概ね１３ｍｍ以上の肉厚とすることが望ましい。
シリンダー１の外径は、プラスチックシートへのレンズ成型時を考慮すると、その公差を±０．５ｍｍ以内とすることが望ましい。
また、プラスチックシートへの微細な凹凸構造の転写加工時に熱可塑性樹脂を用いたエンボス法や、放射線硬化樹脂を用いた形状転写法などを用いる場合、あるいは、そのほかの転写方式においてもシリンダーの熱膨張（あるいは収縮）による寸法の変化を抑止するために温度管理が重要である。
この温度管理を行うために、シリンダーを二重管構造そして、その内部に温度調整用の冷却水などを循環させる構造とすることもできる。
シリンダーの支持部に於いては、シリンダーを支える充分な強度を得る素材と構造で構成されればよい。
また、シリンダー表面の加工層４は、加工が容易な柔らかい、かつ加工面が平滑な鏡面を得やすい素材とすることが望ましい。一例としては、銅や亜鉛からなるメッキ層があり、また高分子樹脂やシリコーンラバーなどの有機組成物や、更にはセラミックなどを用いても良い。
高分子樹脂の例としては、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、ポミイド樹脂、ポリアミド樹脂、ナイロンなどの熱硬化製樹脂又はＭＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂などの共重合体で、特にポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂が適しており、またニ液硬化型エポキシ樹脂なども適している。
銅メッキの場合、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの厚さとし、その下地にＮｉ層（膜厚０．５μｍ；図示しない）を設けると良い。
実際の使用に当たっては、この加工層４の表面に保護層５を設ける。この保護層 にはメッキを用いることで高い生産性と耐久性を得ることが容易になり、Ｎｉメッキやクロムメッキがある。
また、保護層５を設ける際に加工層４の表面の面粗度を向上させる目的で酸を用いたエッチングを施すこともできる。この酸の種類は加工層の素材に合わせて選定するが、加工層が金属の場合は塩酸、硝酸、硫酸、希硫酸などを用い、濃度、種類を変えて複数回行うことで適切な表面平滑化を行うことができる。
加工層 に微細な凹凸構造の形成には、機械加工法として、球面エンドミルによるならい加工、非球面エンドミルによる形状転写加工、非球面ビットの打ち込みによる転写加工、などをあげることができる。
また、光化学的方式としては加工層４上に塗布したフォトレジストをレーザー光での直接パターンニングやレンズパターンの投射法などで露光し、フォトレジストを現像、彫刻パターンに応じた開口部からエッチングにより加工層４を成型する方法や、加工層４で光吸収される波長の大出力レーザーの照射による昇華・蒸散を利用しての加工法は、セラミックや亜鉛素材の有効な加工法である。
図２のプラスチックシート加工用成形型表面の微細な凹凸構造は、例えばプラスチックシートに転写形成されるマイクロレンズの原型の凹部６が多数連続して形成されている。本発明では長手方向の長さが５０〜１００μｍの範囲、長手方向に直角の長さが２５〜 ８０μｍ、深さが０〜５０μｍである。このマイクロレンズ原型は、その用途に応じて形状が異なるが、その断面形状が回転対象である半球状の球面であるか、略楕円面のような非球面であるか、または長手方向とそれと直角方向において、球面と非球面の組み合わせ、さらには トーリック面など断面形状が回転非対称である、曲率が同じまたは異なるなどの形状があり、あるいは幾何学的構造に縛られない自由曲面とすることが要求されることもあり、用途に応じて適宜選択される。その選択に基づき、加工層４にそのマイクロレンズ原型が形成される。
そのマイクロレンズの原型である成形型の凹部６の表面は、仕上りが鏡面状態とすることが必要であり、平均粗さＲａ＜１μｍの表面粗さ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９９４）を満たすようにする。
図３は、プラスチックシート加工用成形型表面の微細な凹凸構造を形成するマスター版７であり、マイクロレンズの原型である凹部６の形成に使用される。平面基板８は鉄またはニッケルであり、硬度（ＨＳ）が７０程度で、裏面も平滑で表面と平行となるようにする。例としては長辺約２００ｍｍ、短辺約８５ｍｍ、厚さ３ｍｍで、型となるマイクロレンズ構造９が複数個形成された有効領域１０（１２０ｍｍ×２５ｍｍ；マイクロレンズ構造８は図中一部のみの表示であるが、実際は平面基板上の有効領域内に設けられる）を有し、このマスター版７を上記シリンダー１の加工層４に順次押圧し、微細な凹部６を加工層４の全面または所望の領域に対して形成する。
具体的には、シリンダー１の素材にアルミ合金、加工層４には亜鉛を使用し、保護層５にクロムメッキを用いてシリンダー１とした。
また、シリンダーの直径を１９１ｍｍとし、周長（一回転時の長さ）が６００ｍｍとなり、レンズシートの生産時の段取りが容易とすることができる。
このシリンダー１を用いてレンズシートの成型を行ったところ、充分な版強度を有しており、大面積のレンズシートを高い生産性をもって生産を行うことができた。

本発明のプラスチックシート加工用成形型の一実施例であるシリンダーの外観図である。 本発明のプラスチックシート加工用成形型表面の構造を拡大表示した説明図である。 本発明のプラスチックシート加工用成形型表面の微細な凹凸構造を形成するマスター版である。

符号の説明

１ シリンダー
２ ロール保持部
３ 保持層
４ 加工層
５ 保護層
６ 凹部
７ マスター版
８ 平面基板
９ マイクロレンズ構造
１０ 有効領域

Claims (1)

1. シリンダ状基板上に金属或いは樹脂からなる加工層を設け、該加工層に平均粗さＲａ＜１μｍの表面粗さを有し、トーリック凹面を、エンドミルによるならい加工により二次元方向に連続して加工形成し、幾何学状繰り返し構造としてなることを特徴とするマイクロレンズシート成形型の製造方法。