JPH09236701A

JPH09236701A - フレネルレンズおよびその成型に用いるスタンパの製造方法

Info

Publication number: JPH09236701A
Application number: JP4289496A
Authority: JP
Inventors: Senhiko Yamada; 千彦山田; Kazuyoshi Ebina; 一義海老名; Hideo Sato; 秀夫佐藤; Yasuhiro Kikuchi; 泰弘菊地
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 1997-09-09
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JP3358426B2

Abstract

(57)【要約】【課題】切削加工に要する作業時間が短くて済むフレネ
ルレンズ成型用スタンパ（およびフレネルレンズ）の提
供。【解決手段】テーブル上に搭載され、水平方向に回転す
る板状の被切削材の表面を、先端が鋭角的な凸形状の刃
先を有するバイトを用いて切削加工を行なうにあたっ
て、バイトの切り込み深さや勾配を、所定量だけ連続的
に変化させつつ、被切削材の外側から中心、または中心
から外側に向かって、バイトを直線移動させる切削加工
を繰り返すことによって、鋸歯状の凹凸が螺旋状に連続
した溝からなるフレネルレンズの成型に用いられるスタ
ンパを製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＯＨＰ，製版用プ
リンター，透過型プロジェクションスクリーンなどの光
学製品に適用されるフレネルレンズに関し、特に、従来
よりも短時間で容易に成型用スタンパ（金型）を製造す
る方法と、前記スタンパによって成型されるフレネルレ
ンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】フレネルレンズは、光学レンズ本体の中
で不要な部分を削除し、前記レンズと同等の光学特性を
奏するようにしたシート状のレンズである。図１（ａ）
は本来の凸レンズであり、図１（ｂ）は前記凸レンズを
中心から所定のピッチで同心円状に分割した状態であ
り、図１（ｃ）は前記凸レンズと同等の光学特性を奏す
るフレネルレンズであり、図１（ｄ）は前記フレネルレ
ンズを成型するのに用いられるスタンパ、をそれぞれ示
す断面説明図である。なお、同図では、凸レンズに係る
説明のみが概念的になされているが、フレネルレンズは
それに限定されるものではなく、凹レンズについてでも
良いことは言うまでもない。

【０００３】既存のフレネルレンズは、鋸歯状の凹凸
（プリズム）が１輪毎に「同心円状」に並列した構成で
あり、成型用スタンパを切削加工するにあたっては、鋸
歯状の凹凸の逆型である溝を一本ずつ独立して切削しな
ければならない。

【０００４】上記の切削加工では、一般に「立型旋盤」
と称する機械が使用される。テーブル上に搭載され、水
平方向に回転する板状の被切削材の表面を、先端が鋭角
的な凸形状の刃先を有するバイトを用いて切削加工を行
なうにあたって、ある１輪の鋸歯状の凹凸の逆型である
溝を切る場合には、その溝に応じたフレネル面の勾配
（フレネル角）・ライズ面の勾配（ライズ角）・切り込
みの深さ（フレネル面およびライズ面の垂直方向の深
さ）となるように、被切削材に対してバイトを適宜に上
下動および回動させつつ切削する。１輪の溝を形成する
には、フレネル面の切削とライズ面の切削の２工程が必
要である。（図２参照）

【０００５】所定形状に１輪の溝の切削加工を終えた
ら、バイトを移動させて、同様に隣りの溝の切削加工を
順次行なって、スタンパが切削される。なお、同心円状
の切削加工は、被切削材の外側から中心に向かってで
も、中心から外側に向かってでも、任意に行なわれる。
また、１本の溝の切削加工にあたっては、フレネル面・
ライズ面の順序は問わない。

【０００６】上記の切削加工では、実際の切削自体に費
やされる時間よりも、バイトの移動（上下動および回
動，隣の溝への移動）および切削箇所のアライメントな
どに費やされる時間の方が膨大であり、結果として、ス
タンパの切削加工全体に要する作業時間が膨大なものと
なる問題を有している。直径４０インチのフレネルレン
ズのスタンパの切削加工全体に要する時間として、出願
人による作業例では、１００〜２００時間程度かかって
いるのが実情である。

【０００７】直径４０インチ（１０１６ｍｍ），溝のピ
ッチ＝０．１３ｍｍのフレネルレンズのスタンパを切削
する場合、最外周の半径Ｒ＝５０８ｍｍ，中心から最外
周にかけての溝の本数は、５０８／０．１３≒３９００
本，である。

【０００８】ある１輪の溝として、以下に例示するよう
に、Ｒ＝５００ｍｍの位置における円周の切削を想定す
る場合、切削加工を終え、隣りの溝までバイトを移動さ
せる（上下動および隣の溝への移動）場合に、切削自体
の所要時間は３０秒／１周程度であるが、バイトの移動
だけでも１分３０秒程度要している。

【０００９】当然、工作機械の許容負荷や被切削材の成
形性を超える膨大な切り込み深さの切削を一度（１周）
に行なうことはできないので、徐々（数μｍ〜数十μ
ｍ）に切り込み深さを大きくしていき、何度（何周）に
も渡って所定量の切り込み深さとなるようにする。

【００１０】Ｒ＝５００ｍｍの位置における円周の切削
では、切り込み深さ１０９μｍであり、バイトは１回転
につき３μｍずつ切り込み深さを増していき、被切削材
が毎分５０回転する場合には、所望の切り込み深さとな
るまでには、被切削材を約３６回転（＝１０９／３）さ
せる必要があり、切削所要時間は約４０秒（３６／５０
＝０．７３分）である。

【００１１】また、切削自体の所要時間以上に、切削に
先駆けてのバイトの制御（切り込み深さの調整と、切削
面の角度の回動調整）に膨大な時間を要する。そのた
め、３９００本の溝（円周）を全て切削するには、内周
に行くに従って切り込み深さが減少するとしても、総時
間で１００〜２００時間を要している。

【００１２】鋸歯状の凹凸（プリズム）が１輪毎に「同
心円状」に並列した構成のフレネルレンズではなく、
「螺旋状」に連続した溝からなるフレネルレンズ用スタ
ンパの製造に係る提案として、特公昭３０−６２２３号
公報や特開昭５２−４２４６号公報が公知である。

【００１３】上記の何れの公報においても、回動する被
切削板と前記被切削板の面方向に摺動しうる摺動体が配
置され、前記摺動体上に回動自在に取り付けられた刃物
（バイト）取付台が配置された構成であり、摺動体の移
動に応じた被切削板の切削位置に依存して刃物（バイ
ト）の切削刃の角度を連続的に変化させることにより、
螺旋状の溝を切削する旨が開示されてはいる。

【００１４】しかしながら、上記公報に示される装置
（方法）では、実用に供せられるフレネルレンズ（スタ
ンパ）を実際に製造することは困難であり、その理由は
下記の二点である。フレネル面の角度を連続的に変化させることに係る開
示のみであり、ライズ面の切削については考慮していな
い。工作機械の許容負荷や被切削材の成形性を超える膨大
な切り込み深さの切削を、徐々（数μｍ〜数十μｍ）に
切り込み深さを大きくしていき、何度（何周）にも渡っ
て所定量の切り込み深さとなるようにすることについて
は考慮しておらず、連続的に１回（最外周から中心にか
けて）の切削加工で製造が終了するかの如く記載されて
いる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、スタンパの
切削加工に要する作業時間が短くて済むようなスタンパ
の製造方法と、そのスタンパによって成型されるフレネ
ルレンズを提供することを目的とする。上記目的を達成
するために、鋸歯状の凹凸が１輪毎に同心円状に並列し
た構成でなく、図３に示すように、前記凹凸が中心から
最外周にかけて螺旋状（スパイラル状）に連続した構成
とするのであるが、その際に、上記に挙げた理由を
回避して、実用に供せられるフレネルレンズ（スタン
パ）を実際に製造する方法を提供する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１に記
載の発明は、フレネル面とライズ面とからなるレンズ部
を構成する凹凸が、中心から最外周にかけて螺旋状に連
続した構成であり、凹凸の位置に依存して、それぞれの
面がなす角度が基準面に対してレンズ特性に応じて所望
であると共に、中心から最外周にかけて前記角度が連続
的に変化することを特徴とするフレネルレンズである。

【００１７】請求項２に記載の発明は、テーブル上に搭
載され、水平方向に回転する板状の被切削材の表面を、
先端が鋭角的な凸形状の刃先を有するバイトを用いて切
削加工を行なうにあたって、バイトの切り込み深さや勾
配を、所定量だけ連続的に変化させつつ、被切削材の外
側から中心、または中心から外側に向かって、バイトを
直線移動させる切削加工の繰り返しからなることを特徴
とする請求項１に記載のフレネルレンズの成型に用いら
れるスタンパの製造方法である。

【００１８】

【発明の実施の形態】図２（ａ）に示すように、フレネ
ルレンズを構成する鋸歯状の溝は、フレネル面とライズ
面とからなっており、例えば凸レンズの光学特性を奏す
るフレネルレンズの場合、フレネル角θ₁は、レンズの
中心（０°）から外周に行くに従って所定量ずつ大きく
なっていく。一方、ライズ角θ₂は、フレネル角θ₁の
ようにレンズの位置に応じた角度変化を必ずしも要求さ
れるものではない。図２（ｂ）は、図２（ａ）のフレネ
ルレンズを成型するスタンパの断面説明図であり、フレ
ネルレンズの鋸歯状の溝の逆型が形成されている。以
下、説明の便宜上、ライズ角θ₂は全ての溝において一
定として話を進めることとする。

【００１９】切削工具（バイト）図２（ｂ）に示すような、先端が鋭角的な凸形状の刃先
を有するバイトを用いる。図２（ｂ）において、フレネ
ル面を加工するバイトの面ａとライズ面を加工するバイ
トの面ｂとがなす角度θ₃は、加工する溝に応じて変化
するフレネル面とライズ面とがなす角度θ₄の最小値よ
りも小さい鋭角でなければならない。

【００２０】切削機械立型旋盤を用い、水平方向に回転するテーブル上に板状
の被切削材（金属板）を設置する。（図示せず）

【００２１】切削条件（原理）バイトの勾配や切り込み深さは、以下の原理に基づいて
変化させる。図４に、求めるレンズ面の幾何学的関係を
説明する。レンズ面の座標は、下記のように一般式で表
すことができる。

【００２２】

【数１】

【００２３】上記一般式に、求めるレンズの焦点距離・
直径などに対応した具体的な係数を代入することによっ
て、中心からの半径Ｘmmの位置におけるレンズ面の座標
Ｚmm、ピッチ分割したフレネル面の角度、およびフレネ
ル面の存在するべき位置（スタンパの厚さ方向への切り
込み深さ）を求めることができる。

【００２４】レンズ面の座標を表す曲線をｚ＝ｆ（ｘ）
の関数で示し、ｘ軸上で前記曲線を一定ピッチで区切っ
た場合、ピッチを小さくしていくと、そのピッチ内では
レンズ面の曲線は、直線であるように近似できる。（図
４(a) 参照）上記の一定ピッチを、溝（円周）の１本ずつに相当させ
ると、切り込み深さやその溝におけるフレネル角を導く
ことができる。（図４(b) 参照）

【００２５】切削フレネルレンズ成型用スタンパの切削加工には各種の手
順があるが、その一例の切削手順について、従来技術に
よる切削手順と対比させて、図２を用いて説明する。

【００２６】＜本発明＞フレネルレンズを構成する鋸歯
状の溝の逆型の切削は、最外周から中心に向かって行な
うこととする。

【００２７】始めに、フレネル面の切削加工を行なう。
最外周から中心に向かって、フレネル角と切り込み深さ
は連続的に変化しているので、フレネル面を加工するバ
イトの面ａを、最外周から中心に向かって、その位置に
おける所定のフレネル角と一致させながら、その位置に
おける所定の切り込み深さとなるように切削する。

【００２８】上述したように、膨大な切り込み深さの切
削を、最外周から中心にかけて一度に行なうことはでき
ないので、バイトを切り込み開始位置に再度配置し、同
様な螺旋状の切削を、切り込み深さを徐々に大きくして
いきながらフレネル面の切り込み深さが所定量となるよ
うにする。

【００２９】次いで、バイトを切り込みを開始する所定
位置に配置し、ライズ面の切削加工を行なう。最外周か
ら中心に向かって、切り込み深さは連続的に変化してい
るので、ライズ面を加工するバイトの面ｂを、最外周か
ら中心に向かって、その位置における所定のライズ角と
一致させ、その位置における所定の切り込み深さとなる
まで切削する。なお、ライズ角はスタンパ全域にわたっ
て一定であることが前提であるため、最初に回動調整し
た後は、ライズ角は固定したまま切り込み深さだけを変
化させて切削を進める。

【００３０】＜従来技術＞フレネルレンズを構成する鋸
歯状の溝は、１輪ずつに独立した同心円状に存在するた
め、前記溝の逆型を切削するにあたっては、１輪ずつ独
立して切削する。すなわち、それぞれの溝は、１輪毎に
フレネル角，ライズ角，切り込み深さが一定であり、１
輪毎の切削手順を以下に説明する。

【００３１】フレネル面を加工するバイトの面ａを、そ
の溝のフレネル角と一致させ、所定の切り込み深さとな
るまで切削する。

【００３２】次いで、バイトの先端を切り込みを開始す
る所定位置に配置し、バイトの面ｂを、その溝のライズ
角と一致するように回動させ、所定の切り込み深さとな
るまで切削する。

【００３３】フレネル面もライズ面も、鋭角的なバイト
の先端を所定位置に配置し、加工する面が所定の角度に
なるようにバイトを回動させた後、垂直に切り込んで行
くことで加工が行なわれるわけである。

【００３４】ライズ面の加工が終わったら、バイトの面
ｂを加工の済んだライズ面から逃がすように回動させ
（当然、バイトの面ａが加工の済んだフレネル面に接触
しない程度に）、バイトを被切削材から垂直に上に逃が
す。

【００３５】ある１本の溝について所定の切削加工を終
えたら、バイトを次の溝の切削位置に移動させ、次の溝
の条件（フレネル角・切り込み深さ）に応じた切削加工
を同様に行なう。

【００３６】上述したように、本発明と従来技術の根本
的な違いは、本発明では溝が連続した１本であり、従来
技術では溝が所定本数だけあるという点にある。そのた
め、本発明では、最外周から中心にかけての全域を連続
的に一度で切削でき、次の溝の切削の度にバイトを被切
削材から離間させて切削加工を中断し、バイトの位置・
角度・切り込み深さを再度設定する必要がない。従っ
て、スタンパの切削加工全体の所要時間が飛躍的に短縮
されることは自明である。

【００３７】他の切削手順（中心から最外周に向かって
切削を行なうこと、ライズ面の切削加工を先に行なうこ
と、ライズ角もレンズの位置に応じて変化させること、
等）でも、本発明による利点が同様に当てはまるが、そ
の説明は省略する。

【００３８】

【実施例】上記の切削手順における実施例を説明する。
フレネルレンズとして、焦点距離ｆ＝１５１mm，直径２
００mmのものを作製するには、上式１にそれぞれ下記の
係数を代入する。なお、代入する係数はレンズの設計仕
様に応じて変化するが、導く手順についての説明はここ
では省略する。

【００３９】ｃ＝＋０．０１３４７２０１＋ｋ＝０Ａ₄＝−０．２１２５４４０Ｅ−７

【００４０】ここで、中心からの半径Ｘ＝５１．６１mm
の位置における切削時のバイト先端の動きを具体的に説
明する。

【００４１】上式１をフレネル面の角度を求める式に変
換してフレネル角を求めると、図６に示すように、Ｘ＝
５１．６１mmの位置におけるフレネル角θ₁は３９．０
８２°となり、中心側の隣（Ｘ＝５１．４８mmの位置）
の溝のフレネル角θ₁は３８．９９１°となる。

【００４２】従って、被切削材のＸ＝５１．６１mmの位
置がテーブル上で１回転し、Ｘ＝５１．４８mmの位置ま
でバイトが移動するまでの間に、バイトの勾配は０．０
９１°だけ変化する。

【００４３】このような切削では、バイトの勾配や切り
込み深さなどの厳密な制御は、工作機械（立型旋盤）の
ＮＣ精度に依存する。また、切り込み深さを所定量とな
るまで繰り返すにあたっては、バイトと被切削材の切削
箇所との位置合わせの精度を厳密に行なわなければなら
ないが、前記位置合わせも工作機械のＮＣ精度に依存す
ることになる。

【００４４】

【発明の効果】スタンパの切削を螺旋状に行なうことに
よって、同心円状の切削に比較して、切削加工全体に要
する時間が飛躍的に短縮され、前記スタンパによるフレ
ネルレンズのプレス成型にあたっては、樹脂からのスタ
ンパの離型性も向上し、上記スタンパによって成型され
るフレネルレンズも、実用化されている既存のフレネル
レンズ（同心円状の溝を持つ）に比べて、同等の光学特
性を有するものである。

【００４５】

【図面の簡単な説明】

【図１】フレネルレンズを概念的に示す断面図。

【図２】フレネルレンズと、スタンパおよびその切削加
工状態を示す断面図。

【図３】フレネルレンズを概念的に示す平面図。

【図４】レンズ面の幾何学的関係を示す説明図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菊地泰弘東京都台東区台東１丁目５番１号凸版印刷株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フレネル面とライズ面とからなるレンズ部
を構成する凹凸が、中心から最外周にかけて螺旋状に連
続した構成であり、凹凸の位置に依存して、それぞれの面がなす角度が基準
面に対してレンズ特性に応じて所望であると共に、中心
から最外周にかけて前記角度が連続的に変化することを
特徴とするフレネルレンズ。
【請求項２】テーブル上に搭載され、水平方向に回転す
る板状の被切削材の表面を、先端が鋭角的な凸形状の刃
先を有するバイトを用いて切削加工を行なうにあたっ
て、バイトの切り込み深さや勾配を、所定量だけ連続的に変
化させつつ、被切削材の外側から中心、または中心から
外側に向かって、バイトを直線移動させる切削加工の繰
り返しからなることを特徴とする請求項１に記載のフレ
ネルレンズの成型に用いられるスタンパの製造方法。