KR100845536B1

KR100845536B1 - 프레넬 렌즈용 금형 가공 방법, 이 가공 방법에 의해 가공된 금형 및 프레넬 렌즈

Info

Publication number: KR100845536B1
Application number: KR1020010072971A
Authority: KR
Inventors: 고노요시히로
Original assignee: 다이니폰 인사츠 가부시키가이샤
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: US6804065B2; CN1181965C; CN1358623A; US20020071187A1; KR20020046151A

Abstract

본 발명은 칩 손상에 의하여 공구의 수명이 저하되는 것을 방지하고 동시에, 프레넬 렌즈에 부가 가치를 부여할 수 있는 금형의 가공 방법에 관한 것이다. 프레넬 렌즈(30)의 렌즈면(3l)과 비렌즈면(32)에 각각 대응한 벽면(13, 14)을 가지는 프레넬 성형 홈(12)을 금형 원반(10)에 가공하는 프레넬 렌즈용 금형(20)의 가공 방법으로서, 칼날 끝(4)에서 연속되는 한 쪽 모서리(5)는 절삭날로서 구성되고, 칼날 끝(4)에는 한 쪽 모서리(5)와 다른 쪽 모서리(6)를 연결하는 노치부(7)가 형성된 공구(1)를 사용한다. 공구(1)와 금형 원반(10) 사이에 금형의 중심선(AX)을 중심으로 하는 상대적인 회전 운동을 인가하여, 노치부(7)에 의해서 프레넬 성형 홈(12)의 비렌즈면에 대응한 벽면(14)이 상기 벽면(14)의 상단으로부터 점차로 절삭되도록 절삭날(5)을 선두로 하여 공구(1)를 금형 원반(10)으로 이송한다. 비렌즈면에 대응한 벽면(14)에는 노치부(7)에 의하여 요철형의 절삭 흔적(15)을 형성한다.

프레넬렌즈, 광학장치, 절삭공구

Description

프레넬 렌즈용 금형 가공 방법, 이 가공 방법에 의해 가공된 금형 및 프레넬 렌즈 {WORKING METHOD OF DIE FOR USE FOR FRESNEL LENS, DIE WORKED THROUGH EXECUTION OF THE WORKING METHOD, AND FRESNEL LENS WORKED FROM THE DIE}

도 1은 본 발명의 일 실시예에서 이용한 공구를 도시한 도면으로, (a)는 이 공구에 대한 평면도이고 (b)는 이 공구의 칼날 끝 측을 정면으로 했을 때의 우측면도이며, (c)는 (a)의 화살표 c 방향으로 칼날 끝 측에서 좌측면을 본 상태를 도시한 도면이고, (d)는 (a)의 화살표 d 방향으로 칼날 끝 측에서 우측면을 본 상태를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 대한 공구의 선단부에 대한 사시도이다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 대한 공구의 칼날 끝에 형성되어 있는 노치부에 대한 변형 예를 나타내는 도면이다.

도 4a 내지 도 4b는 도 1에 도시한 공구로 프레넬 렌즈(fresnel lens)용 금형을 절삭하는 모양을 도시한 도면이다.

도 5는 도 4의 가공 방법으로 제조된 금형의 주요부를 도시한 도면이다.

도 6a 내지 도 6b는 도 5의 금형에 따라 제조된 프레넬 렌즈의 주요부를 도 시한 도면이다.

본 발명은 프레넬 렌즈(fresnel lens)용 금형의 가공 방법, 이 가공 방법에 사용하는 공구, 그리고 이 가공 방법에 의해 가공된 금형 및 프레넬 렌즈에 관한 것이다.

프레넬 렌즈는 렌즈 전체의 광축을 중심으로 반경 방향으로 미세한 폭을 갖는 렌즈면을 반복 형성한 것이다. 이러한 프레넬 렌즈는 금형을 이용하여 제조된다. 금형에는, 각 렌즈면과 렌즈면 사이에 위치하는 비렌즈면을 성형하기 위한 다수의 프레넬 성형 홈을 절삭 가공으로 형성한 모재, 이 모재에 성형되는 마스터(master) 그리고 이 마스터에 성형되는 스탬퍼(stamper)가 존재한다. 마스터는 다수의 프레넬 성형 홈이 형성된 모재 표면의 프레넬 성형면을 복제하여 형성되고, 스탬퍼는 이 마스터 표면에 복제된 프레넬 성형면을 다시 복제하여 형성된다. 따라서 스탬퍼 표면의 프레넬 성형면은 프레넬 렌즈의 렌즈면이 설치된 프레넬면에 대하여 상보적인 형상을 갖는다. 스탬퍼의 프레넬 성형면 상에 용융 상태의 자외선(UV) 경화형 수지를 소정 두께로 부은 후 자외선을 조사하여 수지를 경화시킨 다음, 이 수지 경화물을 스탬퍼에서 벗겨내어 프레넬 렌즈를 형성한다.

이러한 모재는 다이아몬드로 만들어진 바이트(byte)를 공구로 이용하여 선삭 가공(旋削加工)을 통해 소정 형상으로 성형된다. 그러나 종래의 바이트 칼날 끝이 예리하게 형성되어 있기 때문에, 칩에 손상이 발생하여 공구 수명이 짧아지는 경우가 있다.

따라서 본 발명의 기술적 과제는 칩 손상으로 공구 수명이 저하되는 것을 방지하는 가공 방법 및 이것에 이용하는 공구를 제공하는 것이다. 또한 본 발명은 칩 손상을 방지하는 기술을 이용하여 프레넬 렌즈의 부가 가치를 높일 수 있는 가공 방법 및 금형을 제공하는 것이다.

본 발명은 다음에 설명하는 가공 방법 등으로 이미 기술한 기술적 과제를 해결하는 것이다. 또한 다음의 설명에서, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서 첨부한 도면의 도면 부호에 괄호를 이용하였지만, 이것에 의해 본 발명이 도시한 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 가공 방법은 프레넬 렌즈의 렌즈면과 비렌즈면에 각각 대응한 벽면을 가지는 프레넬 성형 홈을 금형 원반에 가공하는 프레넬 렌즈용 금형 가공 방법으로서, 칼날 끝에서 연속되는 한 쪽 모서리는 절삭날로서 구성되고, 상기 칼날 끝에는 상기 한 쪽 모서리와 다른 쪽 모서리를 연결하는 노치부를 형성한 공구를 사용하고, 상기 공구와 상기 금형 원반 사이에 상기 금형의 중심선을 중심으로 하는 상대적인 회전 운동을 인가하여, 상기 노치부에 의하여 상기 프레넬 성형 홈의 상기 비렌즈면에 대응한 벽면이 상기 벽면의 상단에서부터 점차로 절삭되도록 상기 절삭날을 선두로 하여 상기 공구를 상기 금형 원반으로 이송한다.

이러한 가공 방법에 의하면, 공구의 칼날 끝에 노치부를 설치하고, 이 노치부를 이용하여 비렌즈면에 대응한 벽면을 절삭하기 때문에, 칼날 끝의 강도가 증가하여 칩 손상의 발생 빈도가 줄어든다. 그러므로 공구의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한 노치부로 프레넬 성형 홈의 벽면을 깎기 때문에, 이 벽면의 면 조도 등의 형상 특성을 노치부의 형상에 따라서 제어할 수 있다. 예를 들면, 노치부를 이용하여 비렌즈면에 대응한 벽면에 요철형의 절삭 흔적을 형성할 수 있다. 이 경우에, 절삭 흔적에 따른 요철부(33)가 프레넬 렌즈의 비렌즈면에 전사되므로 비렌즈면의 면 조도가 증가한다. 그 결과, 비렌즈면이 불투명 유리형의 매트면(mat face)으로 구성되어, 렌즈 내에 존재하는 광축에서 벗어난 광이(迷光) 비렌즈면에서 출사되는 것이 억제되므로, 콘트라스트가 개선된다.

본 발명의 공구는 프레넬 렌즈의 렌즈면과 비렌즈면에 각각 대응한 벽면을 가지는 프레넬 성형 홈을 금형 원반에 가공하는 공구로서, 칼날 끝과 상기 칼날 끝에서 연속되는 한 쌍의 모서리를 가지고, 한쪽 모서리가 상기 프레넬 성형 홈의 상기 렌즈면에 대응한 벽면을 절삭하기 위한 절삭날로서 구성되고, 상기 칼날 끝에는 상기 한 쪽 모서리와 다른 쪽 모서리를 연결하도록 하여 노치부가 설치되어 있다.

이 공구에 의하면, 전술한 가공 방법을 실현할 수 있다.

본 발명의 금형은 전술한 가공 방법에 의해서 가공된 프레넬 성형 홈을 가지는 것이다. 이 금형에 의하면, 공구의 노치부를 이용하여 비렌즈면에 대응한 벽면의 형상 특성을 제어하므로, 프레넬 렌즈의 비렌즈면에 최적의 형상을 형성할 수 있다.

본 발명의 금형에서, 상기 프레넬 성형 홈의 상기 비렌즈면에 대응한 벽면에는 상기 공구의 상기 노치부가 통과함에 따라 형성된 요철형의 절삭 흔적이 존재할 수도 있다. 이와 같이 하면, 금형에 따라 제조되는 프레넬 렌즈의 비렌즈면에 절삭 흔적에 대응한 요철부를 형성할 수 있으므로 이 비렌즈면의 조도를 크게 할 수 있다.

본 발명의 프레넬 렌즈는 금형을 가공할 때 생기는 절삭 흔적에 해당하는 요철부(33)가 비렌즈면(32)에 존재하는 것이다. 이 프레넬 렌즈에 의하면, 비렌즈면이 불투명 유리형의 매트면으로서 구성되므로, 렌즈 내에 존재하는 광축에서 벗어난 광이 비렌즈면에서 출사되는 것이 억제되어, 콘트라스트가 개선된다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공구를 나타내고, 도 4는 이 공구로 금형 원반을 절삭하여 프레넬 렌즈 성형용 금형을 가공하는 상태를 나타내고 있다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 공구부터 설명한다. 도 1의 공구는 선반(旋盤)에 사용되는 이른바 바이트(1)로서 구성되고, 홀더(2)와 칩(3)을 가지고 있다. 홀더(2)는 탄소강 등의 고강성 재료로 구성된 본체(2a)와 텅스텐으로 구성된 칩장착부(2b)가 일체로 이루어져 있다. 본체(2a)는 바이트(1)를 선반에 장착하기 위한 섕크(shank)(도시하지 않음)와 일체로 될 수도 있고, 볼트 등과 같은 체결수단을 이용하여 이 섕크와 본체(2a)를 착탈 가능하게 장착할 수도 있다.

칩(3)은 다이아몬드로 제조되며, 압착 등과 같은 이미 공지된 접합 방식을 통하여 홀더(2)의 칩장착부(2b)에 접합된다. 칩(3)은 칼날 끝(4)과 이 칼날 끝(4) 에서부터 연속되는 한 쌍의 모서리(5, 6)를 구비하고 있고, 한 쪽 모서리(5)는 절삭날로서 구성되며, 상면(3a)은 이 절삭날(5)에 대한 절단 면(cutting face)으로서 기능한다. 모서리(5, 6)의 교차각인 칼날 끝각(θ)을 45°로 설정한다. 단, 이 칼날 끝각(θ)은 45°에 한정되지 않는다. 도 1c와 도 1d에 도시한 바와 같이, 칩(3)의 양 측면(3b, 3c)과 절단 면(3a)이 이루는 각은 90°보다 다소 작은 각도(예를 들면 87°)이고, 양 측면(3b, 3c)과 절단 면(3a)이 만나는 접선이 모서리(5, 6)를 이룬다.

도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 칩(3)의 칼날 끝(4)에는, 한 쌍의 모서리(5, 6)를 연결하도록 하여 노치부(7)가 형성되어 있다. 도 2에도 나타낸 바와 같이, 노치부(7)는 측면(3b, 3c)이 교차하는 모서리(3d)와 절단 면(3a)쪽의 모서리(5, 6)가 교차하여 형성되는 정점부를 칼날 끝각(θ)의 이등분선(CL)과 직교하는 방향으로 잘라내어 형성된다. 노치부(7)의 절단 면(3a) 상에서의 폭(W)(도 1a)은 예를 들면 2㎛ 이상의 범위로 설정된다.

칼날 끝각(θ)의 이등분선(CL)과 노치부(7)가 이루는 각도(φ)는 일례로서 칼날 끝각(θ)의 2배인 90°로 설정되어 있다. 즉, 도 1의 예에서, 노치부(7)는 모서리(5, 6)에 대하여 서로 동일한 각도에서 교차한다. 단, 각도(φ)는 90°에 한정되지 않고, 여러 각도로 변경 가능하다. 예를 들면, 도 3a에 나타낸 바와 같이 절삭날 쪽의 모서리(5)와 노치부(7)가 교차하는 각도(α)가 모서리(6)와 노치부(7)가 교차하는 각도(β) 보다 커지도록 할 수도 있고, 도 3b에 도시한 바와 같이, 절삭날 쪽의 모서리(5)와 노치부(7)가 교차하는 각도(α)가 모서리(6)와 노 치부(7)가 교차하는 각도(β) 보다 작아지도록 할 수도 있다. 또한 도 3b에서는 모서리(5)와 노치부(7)의 교차각(α)을 90°로 한 예이다. 도 3a에서, 각도(α, β) 모두를 둔각으로 설정하였지만, 도 3c에 나타낸 바와 같이 절삭날 쪽의 모서리(5)와 노치부(7)의 교차각(α)을 둔각으로 하고, 모서리(6)와 노치부(7)와의 교차각(β)을 예각으로 설정할 수도 있다.

다음에, 이러한 바이트(1)를 사용하여 프레넬 렌즈용 금형을 가공하는 가공 방법에 대하여 설명한다. 도 4a는 금형 원반(10)을 바이트(1)로 가공하여 금형을 제조하는 모양을 나타내고 있다. 금형 원반(10)은 놋쇠 등과 같은 비교적 연질의 금속을 소재로 하며, 선반의 주축(도시하지 않음)에 장착되어 금형 중심선(AX)을 중심으로 회전 구동된다. 바이트(1)는 금형 원반(10)의 표면(11)에서부터 절삭날(5)을 선두로 하여 이송된다. 이 때 절삭날(5) 방향은 금형 원반(10)에 형성할 프레넬 성형 홈(12)의 렌즈면에 대응한 벽면(13)과 평행으로 설정된다. 또한 칼날 끝(4)은 끝에 형성되어 있는 노치부(7)에 의하여 프레넬 성형 홈(12)의 비렌즈면에 대응한 벽면(14)이 가공되도록 위치 결정된다. 그리고 칩(3)의 이송 방향(도 4a에 화살표 F로 나타냄)은 프레넬 성형 홈(12)의 비렌즈면에 대응한 벽면(14)과 평행하게 설정된다. 단, 벽면(14)의 각도는 프레넬 성형 홈(12)마다 다르기 때문에, 각 프레넬 성형 홈(12)을 가공할 때마다 바이트(1)의 이송 방향이 변경된다.

이와 같이, 금형 원반(10)으로 바이트(1)가 절삭해 들어감으로써, 프레넬 성형 홈(12)의 비렌즈면에 대응한 벽면(14)은 노치부(7)에 의해서 벽면(14)의 상단에서부터 점차로 절삭된다. 그리고, 도 4b에 도시한 바와 같이, 절삭날(5)이 프레넬 성형 홈(12)의 깊이에 상당하는 양만큼 절삭해 들어감으로써 렌즈면에 대응한 벽면(13)이 형성되어 프레넬 성형 홈(12)이 완성된다. 모든 프레넬 성형 홈(12)에 대해 이러한 가공을 반복하여, 도 5에 나타낸 금형(20)이 완성된다. 이와 같은 절삭 가공으로 제조된 금형(20)이 이른바 모재이며, 그 표면 형상을 순차로 복제함으로써 마스터, 스탬퍼라고 하는 금형이 제조된다. 그리고 스탬퍼의 표면에 수지를 부어 경화시킴으로써, 금형(20)에 대한 상보적인 형상을 가지는 프레넬 렌즈(30)(도 6 참조)가 제조된다. 프레넬 렌즈(30)의 렌즈면(31)은 금형(20)에 형성된 프레넬 성형 홈(12)의 벽면(13)에 대응하고, 비렌즈면(32)은 벽면(14)에 대응한다.

이와 같은 가공 방법에 의해서 프레넬 성형 홈(12)을 가공한 경우, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 프레넬 성형 홈(12)의 벽면(14)에는, 노치부(7)가 통과함에 따라 요철형의 절삭 흔적(15, ... , 15)이 상하 방향[바이트(l)의 이송 방향]으로 형성된다. 따라서 금형(20)에 따라 제조된 도 6a에 도시한 프레넬 렌즈(30)의 비렌즈면(32)에는 도 6b에 도시한 것처럼 절삭 흔적(15)에 대응하여 다수의 요철부(33, ..., 33)가 형성된다. 이로 인해, 비렌즈면(32)의 면 조도가 거칠어지고, 비렌즈면(32)이 불투명한 유리형인 이른바 매트면으로서 구성된다. 이 결과, 렌즈 내에서 반사를 반복하는 광축에서 벗어난 광이 비렌즈면(32)에서 출사되는 것을 방해하므로, 콘트라스트(contrast)가 향상된다.

또한 절삭 흔적(15)의 피치(pitch)는 금형 원반(10)이 1 회전할 때의 바이트(l) 이송량에 따라서 조정할 수 있으므로, 절삭 흔적(15)의 형상은 노치부(7)의 형상에 따라서 여러 가지로 변화시킬 수 있다. 절삭 흔적(15)에 따른 금형 벽면(14)의 면 조도는 예를 들면 3㎛ 내지 4㎛ 피치의 정도로 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 여러 가지로 변경하여 실시할 수 있다. 예를 들면, 공구에서, 다이아몬드로 만들어진 칩에 한정하지 않고, 초경량 합금과 같은 금속 가공에 알맞은 여러 가지 소재를 이용할 수 있다. 금형 원반의 소재도 여러 가지로 변경할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 절삭 가공된 금형을 모재로 하고, 이 모재에 따라 마스터와 스탬퍼를 순차로 형성하였지만, 마스터와 스탬퍼를 없애고, 모재로서의 금형 표면을 프레넬 렌즈의 표면과 동일한 형상으로 가공할 수도 있다.

이상 설명한 것처럼 본 발명에 의하면, 공구의 칼날 끝에 노치부를 설치하고, 이 노치부를 이용하여 금형의 비렌즈면에 대응한 벽면을 절삭하도록 하므로, 칼날 끝의 강도가 증가하여 칩 손상의 발생 빈도가 낮아진다. 그러므로 공구 수명을 연장시킬 수 있다. 또한 노치부로 프레넬 성형 홈의 벽면을 깎기 때문에, 이 벽면의 면 조도 등과 같은 형상 특성을 노치부의 형상으로 제어할 수 있고, 그 비렌즈면에 대응한 벽면에 요철형의 절삭 흔적을 형성함으로써, 비렌즈면의 면 조도를 거칠게 한 이른바 매트면으로 최종적으로 제조되는 프레넬 렌즈를 구성한다. 따라서 렌즈 내에 존재하는 광축에서 벗어난 광이 비렌즈면에서 출사되는 것을 방해하므로 콘트라스트를 향상할 수 있다.

Claims

프레넬 렌즈의 렌즈면과 비렌즈면에 각각 대응한 벽면을 가지는 프레넬 성형 홈을 금형 원반에 가공하는 프레넬 렌즈용 금형 가공 방법으로서,

칼날 끝에서 연속되는 한 쪽 모서리는 절삭날로서 구성되고, 상기 칼날 끝에는 상기 한 쪽 모서리와 다른 쪽 모서리를 연결하는 노치부를 형성한 공구를 사용하고,

상기 공구와 상기 금형 원반 사이에 상기 금형의 중심선을 중심으로 하는 상대적인 회전 운동을 인가하여, 상기 노치부에 의하여 상기 프레넬 성형 홈의 상기 비렌즈면에 대응한 벽면이 상기 벽면의 상단에서부터 점차로 절삭되도록 상기 절삭날을 선두로 하여 상기 공구를 상기 금형 원반으로 이송하고,

상기 노치부를 이용하여 상기 비렌즈면에 대응한 벽면에 요철형의 절삭 흔적을 형성하여, 상기 비렌즈면을 불투명 유리형의 매트면(mat face)으로 구성하는

프레넬 렌즈용 금형 가공 방법.
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제1항의 가공 방법에 의하여 가공된 프레넬 성형 홈을 갖는, 프레넬 렌즈 가공용 금형.
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칼날 끝에서 연속되는 한쪽 모서리는 절살날로서 구성되고, 상기 칼날 끝에는 상기 한쪽 모서리와 다른쪽 모서리를 연결하는 노치부를 형성한 공구를 사용한 프레넬 렌즈로서,

금형에 의하여 형성되는 프레넬 렌즈금형 가공 시에 생기는 절삭 흔적에 따른 요철부가 비렌즈면에 존재하고,

상기 비렌즈면의 상기 요철부는 상기 노치부를 이용한 절삭 흔적이며,

상기 비렌즈면이 불투명 유리형의 매트면으로 구성되는, 프레넬 렌즈.