JP2009090414A - レンズの球面研削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粗研削と精研削とでレンズ球面の研削を行う方法における精研削方法に関し、従来ペレット皿を用いて行われていたレンズの精研削をカップ砥石で行うことができるようにする。
【解決手段】ワーク軸１の先端に保持された粗研削済レンズ４を、ワーク軸１の軸心を通る揺動中心Ｐ回りに揺動する揺動台２３に、砥石軸２５の軸直角方向に移動するＸ移動台２２を介して軸支された砥石軸２５の下端に装着した回転砥石３で精研削する。回転砥石として、加工しようとするレンズの表面と円接触する砥石であって、番手が１５００〜２５００番のカップ状の砥石３ｂを用い、研削するレンズ球面の曲率に対応する角度に砥石軸を傾斜させ、砥石３ｂとレンズ球面との接触円がレンズの中心を通る位置にＸ移動台２２の位置を設定した状態でワーク軸１の回転と砥石軸２５ｂの回転とにより、粗研削済レンズ４の精研削を行う。
【選択図】図２

Description

この発明は、レンズ球面の研削方法に関し、特に粗研削と精研削とでレンズ球面の研削を行う方法における精研削方法に特徴がある上記方法に関するものである。

レンズ球面の研削加工は、従来、カップ砥石による粗研削とペレット皿による１工程又は２工程の精研削の順で行われ、その後、磨き皿による研磨（ポリシング）が行われている。

粗研削は、一般にＣＧ加工（球面創成加工）と呼ばれる加工方法で行われている。すなわち、鉛直方向のワーク軸の上端に設けたレンズホルダにレンズ素材を装着し、下端にレンズ素材の表面と円接触（正確にはレンズ周縁からはみ出す円で接触）する下向きカップ状の砥石を装着した砥石軸を研削しようとするレンズ表面の曲率に合わせて傾斜させ、カップ砥石とレンズ表面との接触円が丁度レンズの軸中心を通る位置に砥石軸を位置決めする。そしてワーク軸と砥石軸を回転し、サーボモータでワーク軸に上方向へ切削送りをかけて、レンズ表面に対するカップ砥石の公転と自転との合成運動により、レンズ球面を創成加工するというものである。粗研削用のカップ砥石としては、番手が１００〜３５０番程度の粒度の砥石が用いられている。

従来の精研削は、ペレット皿の球面をレンズに転写する加工で、揺動台に軸支した砥石軸の下端に加工するレンズ球面の曲率に応じたペレット皿を装着し、ワーク軸の上端のレンズホルダに粗研削済のレンズ素材を装着する。そして、揺動台の揺動中心とレンズ球面の曲率中心とを一致させた状態で、エアシリンダなどでレンズ表面ををペレット皿に一定圧で押付けて、ワーク軸１の回転と砥石軸２５の回転及び往復揺動との合成運動により、レンズの表面を研削するというものである。

レンズの粗研削と精研削は、従来個別の機械で行われていたが、本願出願人は、同一機台上に粗研削用の砥石軸と精研削用の砥石軸とを設けて、ワークを持替えることなく粗研削と精研削とを連続して行うことができるレンズの球面研削装置を提案している（特許文献１）。図５は、特許文献１で提案したレンズの球面研削装置を示した側面図である。

図５において、１はワーク軸、１１はワーク軸１駆動用の電動機、１２はワーク軸１の先端（上端）に設けられたレンズホルダ、１３はワーク軸１を軸支している昇降台（Ｚ方向移動台）である。２３は揺動中心Ｐ回りに揺動する揺動台、２１は揺動台２３上に設けたガイド、２２はガイド２１に沿って移動するＸ移動台（Ｘ方向移動台）である。Ｘ移動台２２には、２本の砥石軸２５ａ、２５ｂが互いに平行に軸支されている。ガイド２１は、この２本の砥石軸２５ａ、２５ｂと直交する方向に設けられている。

砥石軸２５ａ、２５ｂの下端（ワークホルダに向く軸端）には、工具ホルダ２９ａ、２９ｂが設けられ、その一方２９ａに粗研削用のカップ砥石３ａが装着され、他方２９ｂには、精研削用のペレット皿３ｃが装着されている。各砥石軸２５ａ、２５ｂには、砥石軸駆動用の電動機２６ａ、２６ｂが接続されている。

ワーク軸１は、フレーム２に昇降自在に案内された昇降台１３に軸支されており、この昇降台と一体のブラケット１４がＺ軸サーボモータ１７で駆動されるＺ軸送りねじ１８に螺合している。揺動台２３は、Ｂ軸サーボモータ３７で揺動駆動されている。Ｘ移動台２２は、揺動台２３に搭載したＸ軸サーボモータ２７で回転駆動される送りねじ２８に螺合している。５はこれらのサーボモータを制御するＮＣ装置であり、５１、５２及び５３は、サーボアンプ、１９はＺ軸サーボモータ１７の電流制御器である。

次に、上記装置でレンズの粗研削と精研削を行う手順を説明する。まず、カップ砥石３ａを装着した砥石軸２５ａが揺動台２３の揺動中心Ｐを通る位置をＸ移動台２２の移動原点に設定し、研削するレンズ球面の曲率に対応する角度θに揺動台２３を傾斜させ、カップ砥石３ａとレンズ球面との接触円がレンズの光軸を通る位置にＸ移動台２２の位置を設定し、削り代に応じたワーク軸１の研削完了位置をＺ軸の原点に設定する。そして、ワーク軸１の回転によるカップ砥石３ａの公転と、砥石軸２５ａの回転によるカップ砥石３ａの自転とにより、レンズホルダ１２で保持されたにレンズ素材４の球面創成を行う。

次にペレット皿３ｃを取付けた砥石軸２５ｂが揺動台２３の揺動中心Ｐを通る位置をＸ移動台２２の移動原点に設定する。そして、揺動台２３を揺動中心Ｐ回りに所定角度で往復揺動させ、その揺動角θに対応して、ｘ＝ｄtanθ、ｚ＝ｄ／cosθ‐ｄの関係が成立するように、Ｘ移動台２２及び昇降台１３を往復移動させる。ここで、ｄは揺動台２３の揺動中心Ｐから研削するレンズの曲率中心Ｏまでの距離である。

そして、Ｚ軸サーボモータ１７に所定の付圧力に相当するトルク制限をかけ、ＮＣ装置５から所定の削り代の位置（揺動台の角度θによって時々刻々と変化する。）への上昇指令を与える。粗研削済のレンズ素材４は、上記付圧力でペレット皿３ｃに押し付けられ、ワーク軸１の回転によるペレット皿３ｃの公転と、砥石軸２５ｂの回転によるペレット皿３ｃの自転と、ペレット皿３ｃのレンズ曲率中心を中心とする揺動とにより、レンズ素材４の精研削が行われる。
特開２００６−２９７５２０号公報

上述したように、従来のレンズ研削では、粗研削を番手が１００〜３５０番のカップ砥石で行い、精研削をペレット皿で行っていた。しかし、ペレット皿は加工しようとするレンズ球面の曲率に合せた曲面（凸レンズを加工するときは凹曲面）とした基板に多数の小さな砥石板を貼り付けた構造であるため、加工するレンズ表面の曲率が変わる毎にその曲率に合ったペレット皿に交換しなければならず、加工するレンズの種類毎に専用のペレット皿を準備しなければならないという問題があった。

これに対してカップ砥石によるＣＧ加工（球面創成加工）では、レンズの光軸に対するカップ砥石の回転中心軸の角度θを変えることによって、加工しようとするレンズ表面の曲率に対応することができるため、１種類のカップ砥石で曲率の異なる多種類のレンズ表面の加工を行うことができる。

この発明は、従来ペレット皿を用いて行われていたレンズの精研削をカップ砥石で行うことができるようにすることを課題としている。

この発明は、粗研削、精研削及び研磨の３工程で行われているレンズ球面加工の精研削工程を番手が１５００〜２５００番のカップ砥石、すなわち加工しようとするレンズ素材の表面と砥石の回転中心軸を中心とする円弧で接触する砥石で行っている。研磨工程で行われるレンズ表面の取り代（加工によって削り取られるレンズ表面の光軸方向の厚さ）は、３〜１０ミクロンである。精研削の表面粗さやレンズの曲率誤差が研磨時の取り代の範囲からはみ出すと、加工されたレンズは不良品となる。そのため、精研削ではサブミクロン台の表面粗さの加工を行う必要があり、そのためには１５００〜２５００番程度の番手の砥石を用いる必要がある。

一方、このような番手の高い（粒度の細かい）砥石は、番手の低い粗研削用の砥石（１００〜３５０番程度）に比べて非常に磨耗しやすい。砥石やレンズの材質によっても異なるが、レンズ１個の加工で０．５ミクロンというオーダの磨耗量である。カップ砥石によるＣＧ加工では、砥石が磨耗すると、加工されるレンズ表面の曲率半径が大きくなる。従って砥石の磨耗により加工されるレンズの曲率半径が許容される精度内となるように、頻繁に砥石とレンズ素材の相対位置関係を補正しなければならない。

従来の粗研削においては、カップ砥石の磨耗に基づく誤差の補正を次のように行っている。すなわち、定期的に、あるいは所定個数のレンズ加工毎に加工されたレンズを抜き取り、図６に示すように、測定縁の径Ｌが既知のリング状の台６１と接触子６２で粗研削済レンズ４を挟んで、厚さｈ（光軸方向の高さ。図には表面と裏面の高さが示されている。）をマイクロメータで測定し、その測定値とマスタ（基準レンズ）の値との偏差Δｈを研削装置の制御器に入力する。制御器は、予め登録された所定の演算式によって補正量を演算し、砥石の磨耗による曲率半径Ｒの誤差を打ち消すように、ワーク軸に対する砥石軸の角度θを補正する。

ところがこの補正方法を精研削用のカップ砥石の磨耗に適応すると、次のような問題が生じた。第１は、精研削用の砥石の磨耗が粗研削用の砥石の磨耗に比べて遥かに大きいため、その補正をするために頻繁にレンズの抜取り検査を行わなければならず、オペレータの作業負担が非常に大きくなる。

第２に、砥石の磨耗量が大きいときは、レンズの中心厚さの誤差についても補正をしなければならないが、上記従来の補正は、ワークの曲率半径のみの補正となり、ワーク中心圧に関して別の補正を行う必要がある。

第３に、ワーク軸に対する砥石軸の角度θの補正では、砥石の磨耗形状が加工終了時のレンズ表面の曲面形状と一致しないため、従来のように砥石軸の角度θを調整して補正すると、レンズ表面と砥石の接触点がずれて（砥石とレンズ表面との接触線が砥石の回転中心を中心とする円弧からずれる）加工されたレンズ表面が球面にならないなどの問題が発生した。これらの問題は、精研削用のカップ砥石の磨耗量が粗研削用のそれに比べて遥かに大きいことに起因して生じたものである。

本願発明の発明者等の試行錯誤の結果、上記の問題は、次のようにして解決することができた。すなわち、砥石及び加工するレンズの種類に応じて、その加工量（加工個数又は加工時間）と砥石磨耗量との関係を試験加工により予め計測し、両者の関係式又は両者の関係を示すテーブルを予め制御器５に登録しておく。そして、所定個数又は所定時間のレンズ加工毎に当該演算式ないしテーブルを参照して予測される砥石の磨耗量（砥石軸方向の磨耗寸法）Δｔを予測する。そして、この予測した磨耗量Δｔに対してＸ移動台２２を
Δｘ＝Δｔ×tanθ
昇降台の移動量Δｚを
Δｚ＝Δｔ×１／cosθ
で演算されるΔｘ、Δｚだけ補正移動させる。補正方向は、図１に示すように、磨耗後の砥石とレンズ球面との接触円が磨耗した砥石で研削されているレンズの中心Ｗを通るようになる方向である。

上記手段を採用することにより、磨耗が大きい精研削用のカップ砥石の磨耗による補正をオペレータの手を煩わすことなく頻繁に自動補正することが可能になり、また補正操作によって加工される球面の形状が不安定になるという現象も回避することができた。更に上記補正によれば、砥石磨耗によるレンズ表面の曲率の誤差と、中心部におけるレンズ厚さの誤差の両方を同時に補正することができ、高い加工精度が要求される精研削を磨耗の大きいカップ砥石を用いて行うことが可能になる。

この出願の請求項１の発明に係るレンズの精研削方法は、粗研削、精研削及び研磨の３工程で行われているレンズ球面加工における精研削方法であって、昇降位置をＮＣ制御されるワーク軸１の先端に保持された粗研削済レンズ４を、当該ワーク軸の軸心を通る揺動中心Ｐ回りの揺動角をＮＣ制御される揺動台２３に、砥石軸２５の軸直角方向の移動位置をＮＣ制御されるＸ移動台２２を介して、軸支された砥石軸２５の前記ワーク軸先端との対向端に装着した回転砥石３で精研削する、上記精研削方法において、上記回転砥石として、加工しようとするレンズの表面と円接触する砥石であって、番手が１５００〜２５００番のカップ状の砥石３ｂを用い、研削するレンズ球面の曲率に対応する角度に前記砥石軸を傾斜させ、砥石３ｂとレンズ球面との接触円がレンズの中心を通る位置にＸ移動台２２の位置を設定した状態でワーク軸１の回転と砥石軸２５ｂの回転とにより、粗研削済レンズ４の精研削を行うことを特徴とするレンズの精研削方法である。

また、この出願の請求項２の発明に係るレンズの精研削方法は、上記のレンズの精研削方法において、ＮＣ制御装置に、レンズの加工量と砥石の磨耗量との関係を表す演算式又はその関係を示すテーブルを登録し、レンズの連続加工時において、所定の加工量毎に当該演算式又はテーブルを参照して、当該時点における砥石の磨耗量Δｔを求め、求めた磨耗量Δｔに対してＸ移動台２２とワーク軸の高さとをそれぞれ、Δｘ＝Δｔ×tanθ、Δｚ＝Δｔ×１／cosθで演算されるΔｘ、Δｚだけ補正移動させたあと、次のレンズの加工を行うことを特徴とするものである。

この出願の発明により、番手の高い（粒度の細かい）カップ砥石を用いたレンズ球面の精研削が実用可能となる。従って、この発明により、従来ペレット皿を用いて行われていたレンズ球面の精研削をカップ砥石を用いて行うことができるようになる。カップ砥石によるレンズ球面の研削は、ワーク軸に対する砥石軸の角度を変化させることによって、種々の曲率のレンズの加工に対応することができるので、加工するレンズ毎にその曲率に応じた形状のペレット皿を準備しなければならないという従来の精研削加工における問題を解決することができる。

次に図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。図２は、この発明の方法で精研削を行う球面加工装置の側面図である。図５の装置と異なる点は、砥石軸２５ｂの下端の砥石ホルダ２９ｂに砥石粒度の番手が２０００番のカップ砥石３ｂが装着されていること、及び精研削時の装置の動作態様が従来のペレット皿を用いた精研削時の動作態様と異なること、及び制御器５に、所定の加工個数毎のカップ砥石３の砥石軸方向の磨耗量Δｔを示すテーブル５４と、当該Δｔを用いたＸ移動台２２と昇降台１３の補正量の計算式
Δｘ＝Δｔ×tanθ
Δｚ＝Δｔ×１／cosθ
が登録されていることである。その他の点は、図５のものと異なるところがないので、図５の各部材に図２と同じ符号を付してその説明を省略する。

磨耗量Δｔを示すテーブル５４は、図３に示すように、新たな精研削用のカップ砥石３ｂを装着してからのレンズの加工数５、１０、１５・・・に応じて、その直前の５個を加工する間に生じた砥石の砥石軸方向の磨耗量Δｔを例えば３（単位ミクロン）、２．７、２．５・・・のように計測して得たものである。

次に、図２の装置でレンズの研削加工を行う手順を説明する。まず、砥石ホルダ２９ａに番手１００〜３５０番程度の粗研削用カップ砥石３ａを装着し、砥石ホルダ２９ｂに番手１５００〜２５００番の精研削用カップ砥石３ｂを装着する。レンズ素材４をレンズホルダ１２に装填し、前述した従来方法と同じ方法でレンズ素材４の粗研削を行う。

次に、砥石軸２５ｂが揺動台２３の揺動中心Ｐを通る位置をＸ移動台２２の移動原点に設定し、研削するレンズ球面の曲率に対応する角度θに揺動台２３を傾斜させ、カップ砥石３ｂとレンズ球面との接触円がレンズの光軸を通る位置（図１のＱ１）にＸ移動台２２の位置を設定し、削り代に応じたワーク軸１の研削完了位置をＺ軸の原点に設定する。そして、ワーク軸１の回転によるカップ砥石３ｂの公転と、砥石軸２５ｂの回転によるカップ砥石３ｂの自転とにより、レンズホルダ１２で保持されたに粗研削済レンズ４の精研削を行う。

レンズの研削により、カップ砥石３ｂが磨耗量Δｔだけ磨耗すると、カップ砥石３ｂとレンズ球面との接触円はレンズの光軸を通る位置からずれてくる（図１のＱ２）そこで、精研削用のカップ砥石３ｂを新たな砥石に交換したときに、補正タイミングをカウントするカウンタをリセットし、上記方法によるレンズの加工数が５、１０、１５・・・に達する毎に、登録されたテーブルを参照してΔｔを読み込み、上述した式に基づいて演算したΔｘ及びΔｚだけ、精研削時のＸ移動台２２及び昇降台１３を移動させる。

この補正動作により、図１に示すように、カップ砥石のΔｔの磨耗により生じたレンズ４とカップ砥石３ｂとの接触円のＸ方向のずれΔｘと、Ｚ方向のずれΔｚとが補正されて、磨耗後のカップ砥石３ｂとレンズ球面との接触円がレンズの光軸を通る位置に復帰し（図１のＱ３）、磨耗によるレンズ表面の曲率の誤差とレンズの厚さの誤差とが共に補正される。

なお、この発明の方法による精研削の前工程の粗研削として、以下の加工方法を用いることにより、従来のＣＧ加工による粗研削に比べて粗研削の加工時間を短縮することができることが、この出願の発明の発明者等によって見出されている。すなわち、カップ砥石３ａに軸方向の研削送りをかけてレンズ素材４を粗研削する従来手段に代えて、所定の研削代ｅだけ送り込んだカップ砥石３ａをレンズ素材４の周縁側から中心へと研削後のレンズ表面４３の曲率中心Ｏ回りに円弧移動させることにより、砥石軸２５ａの一揺動動作で研削を完了させるという方法で粗研削をおこなうのである。

球面研削装置では、通常、カップ砥石３ａの揺動中心Ｐと研削するレンズの曲率中心Ｏとが一致していない。そこで、図４に示すように、砥石中心軸Ｇとレンズ中心軸Ｗとが成す角度θに対応して、レンズ４とカップ砥石３ａとの相対位置関係を、レンズ４の軸方向移動とカップ砥石３ａの軸直角方向移動とによって変更して、レンズ素材に対しては、レンズ中心Ｏを揺動中心としてカップ砥石３ａが揺動するようにする。

図４中、４はレンズ素材、３ａは粗研削用のカップ砥石、Ｗはレンズ素材４の回転中心軸（ワーク軸１の軸心）、Ｇはカップ砥石３ａの回転中心軸（砥石軸２５ａの軸心）、Ｏは研削後のレンズ表面４３の曲率中心、Ｒは研削後のレンズ表面４３の曲率半径、ｅは粗研削におけるレンズの研削代（取り代）である。

図４を参照して、粗研削用のカップ砥石３ａを取付けた砥石軸２５ａの軸心Ｇが揺動台２３の揺動中心Ｐを通る位置をＸ移動台２２の移動原点に設定し、揺動台２３の揺動中心Ｐから研削後のレンズ表面４３の曲率中心Ｏまでの距離をｄとし、研削後のレンズ表面４３の頂点（中心軸Ｗが通る位置）を昇降台１３の原点に設定して、揺動台２３の揺動角（砥石軸の傾斜角）がθのときのＸ移動台２２の位置ｘ及び昇降台１３の位置ｚに、
ｘ＝ｄtanθ
ｚ＝ｄ／cosθ‐ｄ
の関係が成立するように、ＮＣ装置５からのＸ移動台２２の位置指令及びワーク軸１の位置指令を変化させる。これにより、カップ砥石３ａは、レンズ球面の曲率中心Ｏを中心として揺動する。

ＮＣ装置による上記制御の下で、レンズホルダ１２に把持されたレンズ素材の研削後の表面４３とカップ砥石３ａとの接触円が研削前のレンズ素材周縁の外側となる位置３ａ(ａ)にカップ砥石３ａを移動させ、次に研削後のレンズ表面４３の曲率中心０から当該表面の曲率半径Ｒに相当する距離を隔てた位置にカップ砥石３ａが位置するようにレンズ素材４を前進させ、この状態から前記のｘ、ｚ、θの関係を保持して粗研削後のレンズ表面４３と粗研削用のカップ砥石３ａの接触円がレンズ素材表面の中心を通る位置３ａ(ｃ)まで曲率中心Ｏを中心としてカップ砥石３ａを円弧移動させることにより、レンズ素材４の球面研削を行う。その後、精研削用の砥石軸２５ｂが揺動台の揺動中心Ｐを通る位置をＸ移動台の原点に設定し、前述した手順により、精研削用のカップ砥石３ｂを用いてこの発明の方法による精研削を行う。

この発明の精研削方法の原理を説明した説明図 この発明の方法で精研削を行う球面研削装置の一例を示す側面図 研削個数と砥石磨耗量の関係を示すテーブルの例を示す図 従来方法とは異なる粗削方法を示した説明図 粗研削と従来方法による精研削とを行う装置の一例を示す側面図 レンズ球面の計測方法の一例を示す模式的な側面図

符号の説明

１ ワーク軸
3a 粗研削用のカップ砥石
3b 精研削用のカップ砥石
４ レンズ素材
12 レンズホルダ
13 昇降台（Ｚ方向移動台）
22 Ｘ移動台（Ｘ方向移動台）
23 揺動台
25a 粗研削用の砥石軸
25b 精研削用の砥石軸
Δｔ カップ砥石の磨耗量
Δｘ Ｘ移動台の補正量
Δｚ 昇降台の補正量
θ レンズの軸心と砥石軸の成す角度

Claims (2)

1. 粗研削、精研削及び研磨の３工程で行われているレンズ球面加工における精研削方法であって、昇降位置をＮＣ制御されるワーク軸(1)の先端に保持された粗研削済レンズ(4)を、当該ワーク軸の軸心を通る揺動中心(P)回りの揺動角をＮＣ制御される揺動台(23)に、砥石軸(25)の軸直角方向の移動位置をＮＣ制御されるＸ移動台(22)を介して、軸支された砥石軸(25)の前記ワーク軸先端との対向端に装着した回転砥石(3)で精研削する、上記精研削方法において、
   上記回転砥石として、加工しようとするレンズの表面と円接触する砥石であって、番手が１５００〜２５００番のカップ状の砥石(3b)を用い、研削するレンズ球面の曲率に対応する角度に前記砥石軸を傾斜させ、砥石(3b)とレンズ球面との接触円がレンズの中心を通る位置にＸ移動台(22)の位置を設定した状態でワーク軸(1)の回転と砥石軸(25b)の回転とにより、粗研削済レンズ(4)の精研削を行うことを特徴とする、レンズの精研削方法。
2. ＮＣ制御装置に、レンズの加工量と砥石の磨耗量との関係を表す演算式又はその関係を示すテーブルを登録し、レンズの連続加工時において、所定の加工量毎に当該演算式又はテーブルを参照して、当該時点における砥石の磨耗量(Δｔ)を求め、求めた磨耗量(Δｔ)に対してＸ移動台(22)とワーク軸の高さとをそれぞれ、Δｘ＝Δｔ×tanθ、Δｚ＝Δｔ×１／cosθで演算される(Δｘ)、(Δｚ)だけ補正移動させたあと、次のレンズの加工を行うことを特徴とする、請求項１記載のレンズの精研削方法。

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