JP2019055452A - 凸レンズ加工装置、凸レンズ加工方法、及び砥石 - Google Patents

Abstract

【課題】配置に必要なスペースが小さく、かつ製造工程が簡易な凸レンズ加工装置を提供すること。【解決手段】凸レンズ加工装置は、光学部材からなる加工対象物に対して研削及び研磨加工を施すことにより凸レンズを加工する凸レンズ加工装置であって、回転軸を中心として同心円状に配置されている外周研削部、球面研削部、球面研磨部、面取研削部を有する砥石と、前記砥石を保持して前記回転軸を中心として一体的に回転する第１回転体と、前記加工対象物を保持して一体的に回転する第２回転体と、加工する凸レンズの曲率中心を中心として前記加工対象物を揺動するとともに、前記加工対象物の前記砥石に対する角度を調整する揺動部と、前記加工対象物の前記砥石に対する位置を調整する位置調整部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、凸レンズ加工装置、凸レンズ加工方法、及び砥石に関する。

従来、例えば内視鏡の光学系等に用いられる直径１ｍｍ以下の微小な凸レンズを研削する凸レンズ加工装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この凸レンズ加工装置では、砥石を揺動することにより、保持部（ワーク）に取り付けられた微小な加工対象物を所定の曲率の球面になるように正確に研削することができる。

その後、加工対象物の球面はウレタンパッド等により研磨される（例えば特許文献２参照）。さらに、加工対象物に対して心取加工が行われる（例えば特許文献３参照）。続いて、加工対象物が保持部から取り外され、保持部に取り付けられていた面の面取加工が行われる（例えば特許文献４参照）。

特開２００１−１５０３２４号公報 特開２００１−３１０２５２号公報 特開２００５−２１９１８３号公報 特開２００５−１７７９３１号公報

しかしながら、上述した凸レンズ加工方法では、各加工工程で異なる加工装置が必要であり、複数の加工装置が必要となる。その結果、加工装置を配置するために大きなスペースが必要になるとともに、製造工程も煩雑であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、配置に必要なスペースが小さく、かつ製造工程が簡易な凸レンズ加工装置、凸レンズ加工方法、及び砥石を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る凸レンズ加工装置は、光学部材からなる加工対象物に対して研削及び研磨加工を施すことにより凸レンズを加工する凸レンズ加工装置であって、回転軸を中心として同心円状に配置されている外周研削部、球面研削部、球面研磨部、面取研削部を有する砥石と、前記砥石を保持して前記回転軸を中心として一体的に回転する第１回転体と、前記加工対象物を保持して一体的に回転する第２回転体と、加工する凸レンズの曲率中心を中心として前記加工対象物を揺動するとともに、前記加工対象物の前記砥石に対する角度を調整する揺動部と、前記加工対象物の前記砥石に対する位置を調整する位置調整部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る凸レンズ加工装置は、前記砥石は、前記球面研磨部が前記外周研削部、前記球面研削部、及び前記面取研削部より内側に位置しており、研磨面に研磨液を供給する研磨液供給部と、前記研磨液供給部とは供給経路が異なり、研削面に研削液を供給する研削液供給部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る凸レンズ加工装置は、前記外周研削部、及び前記球面研削部は、平面であり、前記面取研削部は、面取の角度に応じた突起部を有し、前記球面研磨部は、平面、又は前記加工する凸レンズの曲率と略等しい曲率を有し、前記回転軸を中心に形成されたリング状の溝を有することを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る凸レンズ加工装置は、前記外周研削部、及び前記球面研削部は、平面であり、前記面取研削部は、面取の角度に応じた突起部を有し、前記球面研磨部は、前記加工する凸レンズの曲率と略等しい曲率を有し、前記回転軸上に曲率中心が位置する凹部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る凸レンズ加工方法は、上記の凸レンズ加工装置を用いてレンズを加工することを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る砥石は、同心円状に配置されている外周研削部、球面研削部、球面研磨部、及び面取研削部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、配置に必要なスペースが小さく、かつ製造工程が簡易な凸レンズ加工装置、凸レンズ加工方法、及び砥石を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る凸レンズ加工装置の構成を示す概略的な模式図である。 図２は、図１に示す研磨砥石の拡大図である。 図３は、図１に示す砥石及び第１回転体の断面図である。 図４は、図１に示す加工対象物及び第２回転体の側面図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る凸レンズ加工装置を用いた凸レンズ加工方法を示すフローチャートである。 図６は、外周研削加工を行う様子を表す図である。 図７は、外周研削加工を行った後の加工対象物及びガラスヤトイを表す図である。 図８は、球面研削加工する様子を表す図である。 図９は、球面研削加工を行った後の加工対象物及びガラスヤトイを表す図である。 図１０は、球面研磨加工を行う様子を表す図である。 図１１は、心取加工を行う様子を表す図である。 図１２は、心取加工を行った後の加工対象物及びガラスヤトイを表す図である。 図１３は、面取加工を行う様子を表す図である。 図１４は、面取り加工を行った後の加工対象物及びガラスヤトイを表す図である。 図１５は、実施の形態の変形例に係る凸レンズ加工装置の研磨砥石の拡大図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る凸レンズ加工装置、凸レンズ加工方法、及び砥石の実施の形態を説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。本発明は、凸レンズ加工装置、凸レンズ加工方法、及び砥石一般に適用することができる。

また、図面の記載において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る凸レンズ加工装置の構成を示す概略的な模式図である。図２は、図１に示す研磨砥石の拡大図である。本実施の形態に係る凸レンズ加工装置１００は、光学部材からなる加工対象物に対して研削及び研磨加工を施すことにより凸レンズを加工する凸レンズ加工装置である。

図１、図２に示すように、凸レンズ加工装置１００は、加工対象物１に対向するように配置されており、加工対象物１を研削及び研磨する砥石２と、砥石２を保持して砥石回転軸Ａ１を中心として一体的に回転する第１回転体３と、砥石２を含む砥石ユニットを駆動させる砥石ユニット駆動部４と、加工対象物１を保持してレンズ回転軸Ａ２を中心として一体的に回転する第２回転体５と、加工対象物１を保持する後述するホルダを含むホルダユニットを駆動するホルダユニット駆動部６と、加工する凸レンズの曲率中心である揺動軸Ａ３を中心として加工対象物１を揺動するとともに、加工対象物１の砥石２に対する角度を調整する揺動部７と、揺動部７を含む揺動ユニットを駆動させる揺動ユニット駆動部８と、研削面に研削液を供給する研削液供給部９と、研磨面に研磨液を供給する研磨液供給部１０と、加工対象物１の砥石２に対する位置を調整する位置調整部１１と、位置調整部１１を含む位置調整ユニットを駆動させる位置調整ユニット駆動部１２と、位置調整ユニット駆動部１２が載置されている台座１３と、凸レンズ加工装置１００全体を統括的に制御する制御装置１４と、を備える。

加工対象物１は、ガラス、結晶材料、セラミック等からなる。加工対象物１は、例えば内視鏡用等の直径５ｍｍ以下の極めて小さいレンズに加工される。

砥石２は、加工対象物１を研磨する研磨砥石２１と、加工対象物１を研削する研削砥石２２と、を有する。

図３は、図１に示す砥石及び第１回転体の断面図である。図３に示すように、研磨砥石２１は、砥石回転軸Ａ１に直交する面内において、研削砥石２２より内側に配置されている。研磨砥石２１は、例えばウレタンパッドである。研磨砥石２１は、球面研磨部２１１として加工する凸レンズの曲率と略等しい曲率を有し、砥石回転軸Ａ１を中心に形成されたリング状の溝２１１ａを有する。その結果、加工対象物１と溝２１１ａの内面とが線接触するため、研磨時間を短くすることができる。

研削砥石２２は、砥石回転軸Ａ１に直交する面内において、最も外側に配置されている外周研削部２２１と、外周研削部２２１の内側に配置されている球面研削部２２２と、球面研削部２２２の内側に配置されている面取研削部２２３と、を有する。研磨砥石２１は、砥石回転軸Ａ１に直交する面内において、研削砥石２２の内側に配置されており、球面研磨部２１１、外周研削部２２１、球面研削部２２２、及び面取研削部２２３は、砥石回転軸Ａ１を中心とした同心円状に配置されている。また、研磨砥石２１、外周研削部２２１、球面研削部２２２、及び面取研削部２２３は、砥石回転軸Ａ１の方向に沿って段差を付けて配置されている。研削砥石２２は、金属又は合金の表面にダイヤモンドを電着した電着砥石、又はメタル砥石、レジン砥石等である。外周研削部２２１は、球面研削部２２２よりも砥粒の大きさ（メッシュ）が大きい。外周研削部２２１及び球面研削部２２２は、平面である。面取研削部２２３は、面取の角度（例えば４５度）に応じた突起部２２３ａを有する。

また、砥石２は、研磨砥石２１の外周に形成された研磨液排出路２３と、研磨砥石２１の中心に形成された貫通孔２４と、研磨液排出路２３の外側に形成された壁部２５と、を有する。

第１回転体３は、砥石ユニット駆動部４によって砥石回転軸Ａ１を軸に回転する。第１回転体３は、砥石ユニット駆動部４にチャックにより固定されている。

砥石ユニット駆動部４は、例えばＤＤ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｒｉｖｅ）モータ、スピンドルモータを含み、制御装置１４による制御のもと、第１回転体３を回転させる。また、砥石ユニット駆動部４は、ＬＭ（Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｉｏｎ）ガイド（登録商標）、ステッピングモータ、サーボモータ等の直動モータを含み、制御装置１４による制御のもと、第１回転体３を砥石回転軸Ａ１に沿った方向（図１の矢印Ｚ方向）に移動させることにより、砥石２の垂直方向の位置を調整する。

第２回転体５は、ホルダユニット駆動部６によってレンズ回転軸Ａ２を軸に回転する。図４は、図１に示す加工対象物及び第２回転体の側面図である。第２回転体５は、ガラスヤトイ５ａと、ホルダ５ｂと、を有する。加工対象物１は、ワックス又は接着剤でガラスヤトイ５ａに貼りつけられている。ガラスヤトイ５ａは、ワックス又は接着剤でホルダ５ｂに貼りつけられている。ホルダ５ｂは、ホルダユニット駆動部６にチャックにより固定されている。

ホルダユニット駆動部６は、例えばＤＤモータ、スピンドルモータであり、制御装置１４による制御のもと、第２回転体５を回転させる。

揺動部７は、コの字状のアームを含み、アームには位置調整部１１を介して第２回転体５が固定されている。揺動部７は、アームの左右の腕部分の端部が揺動ユニット駆動部８に保持されており、揺動軸Ａ３を軸に揺動するとともに、第２回転体５の砥石２に対する角度を調整する。このとき、腕部分の長さが所定の長さにされているため、揺動部７は、加工する凸レンズの曲率中心を中心として第２回転体５に固定された加工対象物１を揺動する。また、アームには、研削液供給部９及び研磨液供給部１０が固定されている。

揺動ユニット駆動部８は、例えばＤＤモータであり、制御装置１４による制御のもと、加工対象物１を回転及び揺動させる。

研削液供給部９と研磨液供給部１０とは、互いに研削液又は研磨液の供給経路が異なる。研削液供給部９は、研削液を加工面に供給する。研磨液供給部１０は、例えば酸化セリウム、酸化ジルコニウムを含む液体研磨剤である研磨液を加工面に供給する。

位置調整部１１は、第１位置調整部１１１と、第２位置調整部１１２と、を有する。第１位置調整部１１１及び第２位置調整部１１２は、ＬＭガイド、ステッピングモータ、サーボモータ等の直動モータを含む。第１位置調整部１１１は、加工対象物１及び第２回転体５を一体的にレンズ回転軸Ａ２（図１の矢印Ｗ方向）に沿って移動させることにより、加工対象物１のレンズ回転軸Ａ２に沿った方向の位置を調整する。第１位置調整部１１１は、バネ等により加工対象物１を砥石２に押し当てるように付勢する機構を有していてもよい。第２位置調整部１１２は、揺動部７全体を揺動軸Ａ３及び重力の方向に直交する方向（図１の矢印Ｙ方向）に沿って移動させることにより、加工対象物１の水平方向の位置を調整する。

位置調整ユニット駆動部１２は、制御装置１４による制御のもと、第１位置調整部１１１及び第２位置調整部１１２を駆動させる。

台座１３は、載置された第２位置調整部１１２を移動可能に保持する。

制御装置１４は、例えばパーソナルコンピュータ等の汎用のコンピュータによって実現され、所定の制御プログラムをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のハードウェアに読み込むことにより、凸レンズ加工装置１００の各部に対する制御を行う。具体的には、制御装置１４は、砥石ユニット駆動部４、ホルダユニット駆動部６、揺動ユニット駆動部８、位置調整ユニット駆動部１２を制御し、加工対象物１と砥石２との相対的な位置関係を制御する。

次に、凸レンズ加工装置１００を用いた凸レンズ加工方法を説明する。図５は、本発明の実施の形態に係る凸レンズ加工装置を用いた凸レンズ加工方法を示すフローチャートである。図５に示すように、はじめに、ホルダユニット駆動部６が第２回転体５を回転させることにより加工対象物１を回転させるとともに、砥石ユニット駆動部４が第１回転体３を回転させることにより砥石２を回転させる（ステップＳ１）。

続いて、研削液供給部９から研削液を供給しながら、加工対象物１の外周研削加工を行う（ステップＳ２）。図６は、外周研削加工を行う様子を表す図である。図６に示すように、制御装置１４による制御のもと、位置調整部１１が加工対象物１のＷ方向、Ｙ方向の位置を調整するとともに、砥石ユニット駆動部４が砥石２のＺ方向の位置を調整し、さらに揺動ユニット駆動部８が加工対象物１の角度を調整することにより、レンズ回転軸Ａ２を外周研削部２２１と水平にして、加工対象物１及びガラスヤトイ５ａを外周研削部２２１に当接させ、加工対象物１の外径を球面加工しやすい大きさになるまで研削する。このとき、加工対象物１とともにガラスヤトイ５ａも研削されて外径が小さくなる。

図７は、外周研削加工を行った後の加工対象物及びガラスヤトイを表す図である。外周研削加工を行うと、図７に示すように、加工対象物１及びガラスヤトイ５ａの外径が所定の大きさになる。

さらに、研削液供給部９から研削液を供給しながら、加工対象物１の球面研削加工を行う（ステップＳ３）。図８は、球面研削加工する様子を表す図である。図８に示すように、制御装置１４による制御のもと、位置調整部１１が加工対象物１のＷ方向、Ｙ方向の位置を調整するとともに、砥石ユニット駆動部４が砥石２のＺ方向の位置を調整し、さらに揺動ユニット駆動部８が揺動部７を揺動させることにより、加工対象物１を所定の揺動中心点Ｃを中心として揺動させながら球面研削部２２２に当接させ、加工対象物１の先端側の面を所定の曲率の球面になるように研削する。

図９は、球面研削加工を行った後の加工対象物及びガラスヤトイを表す図である。球面研削加工を行うと、図９に示すように、加工対象物１の先端側の面が球面になる。

その後、研磨液供給部１０から研磨液を供給しながら、加工対象物１の球面研磨加工を行う（ステップＳ４）。図１０は、球面研磨加工を行う様子を表す図である。図１０に示すように、制御装置１４による制御のもと、位置調整部１１が加工対象物１のＷ方向、Ｙ方向の位置を調整するとともに、砥石ユニット駆動部４が砥石２のＺ方向の位置を調整し、さらに揺動ユニット駆動部８が揺動部７を揺動させることにより、加工対象物１を所定の揺動中心点Ｃを中心として揺動させながら球面研磨部２１１に当接させ、加工対象物１の先端の球面を研磨する。なお、凸レンズ加工装置１００では、研磨砥石２１が研削砥石２２より内側に配置されており、研削時に排出されるスラッジが遠心力により外側に排除されるため、スラッジの影響を受けやすい研磨時におけるスラッジの悪影響が抑制されている。また、研磨時に研磨液は遠心力により壁部２５側に移動し、研磨液排出路２３を介して貫通孔２４から排出されるため、研磨液が研削砥石２２に付着することも防止されている。

続いて、研削液供給部９から研削液を供給しながら、加工対象物１の心取加工を行う（ステップＳ５）。図１１は、心取加工を行う様子を表す図である。図１１に示すように、制御装置１４による制御のもと、位置調整部１１が加工対象物１のＷ方向、Ｙ方向の位置を調整するとともに、砥石ユニット駆動部４が砥石２のＺ方向の位置を調整し、さらに揺動ユニット駆動部８が加工対象物１の角度を調整することにより、レンズ回転軸Ａ２を球面研削部２２２と水平にして、加工対象物１及びガラスヤトイ５ａを球面研削部２２２に当接させ、加工対象物１の心取を行うとともに、加工対象物１の外径が所定の仕上げ径になるまで研削する。このとき、加工対象物１とともにガラスヤトイ５ａも研削されて外径が小さくなる。

図１２は、心取加工を行った後の加工対象物及びガラスヤトイを表す図である。心取加工を行うと、図１２に示すように、加工対象物１及びガラスヤトイ５ａの外径が所定仕上げ径になる。

最後に、研削液供給部９から研削液を供給しながら、加工対象物１の面取加工を行う（ステップＳ６）。図１３は、面取加工を行う様子を表す図である。図１３に示すように、制御装置１４による制御のもと、位置調整部１１が加工対象物１のＷ方向、Ｙ方向の位置を調整するとともに、砥石ユニット駆動部４が砥石２のＺ方向の位置を調整し、さらに揺動ユニット駆動部８が加工対象物１の角度を調整することにより、レンズ回転軸Ａ２を面取研削部２２３に形成されている突起部２２３ａの上面と水平にして、加工対象物１及びガラスヤトイ５ａを面取研削部２２３の突起部２２３ａに当接させ、加工対象物１の面取りを行う。面取りを行うことにより、バリを防止することができる。

図１４は、面取り加工を行った後の加工対象物及びガラスヤトイを表す図である。図１４に示すように、加工対象物１の基端側が面取りされ、面取研削部２２３の突起部２２３ａのテーパ角度に応じた角度の面が形成される。

以上説明したように、実施の形態によれば、１つの加工装置で外周研削加工、球面研削加工、球面研磨加工、心取加工、面取加工を行うことができる。その結果、配置に必要なスペースが小さく、かつ製造工程が簡易な凸レンズ加工装置を実現することができる。さらに、複数の加工装置を製造する場合に比べて、製造コストも削減できる。

また、実施の形態によれば、加工対象物１をガラスヤトイ５ａから剥がさずに全ての工程を行えるため、偏心が生じることがなく、心出加工を行う必要がない。その結果、砥石２による加工量を抑制することができ、砥石２の摩耗量を低減させることができる。

また、凸レンズ加工装置１００では、球面研削部２２２が平面であり、加工対象物１を揺動させることにより球面加工を行うため、揺動のさせ方を変化させることにより、１つの凸レンズ加工装置１００で大きさや曲率の異なる凸レンズや、非球面レンズを製造することが可能となる。同様に、１つの凸レンズ加工装置１００で種々の凸レンズを製造するために、球面研磨部２１１を平面としてもよい。

さらに、凸レンズ加工装置１００では、面取研削部２２３の突起部２２３ａに対する接触位置や面取研削部２２３の突起部２２３ａによる研削量を調整することにより、面取量を調整することができる。

（変形例）
図１５は、実施の形態の変形例に係る凸レンズ加工装置の研磨砥石の拡大図である。図１５に示すように、実施の形態の変形例に係る凸レンズ加工装置の砥石２Ａにおいて、研磨砥石２１Ａは、球面研磨部２１１Ａとして加工する凸レンズの曲率と略等しい曲率を有し、砥石回転軸Ａ１上に曲率中心が位置する凹部２１１Ａａを有する。その結果、加工対象物１と溝２１１ａの内面とが線接触するため、研磨時間を短くすることができる。さらに、凹部２１１Ａａの曲率中心がレンズ回転軸Ａ２上に位置するため、高精度なレンズ研磨が可能である。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、以上のように表し、かつ記述した特定の詳細及び代表的な実施の形態に限定されるものではない。従って、添付のクレーム及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 加工対象物
２、２Ａ 砥石
３ 第１回転体
４ 砥石ユニット駆動部
５ 第２回転体
５ａ ガラスヤトイ
５ｂ ホルダ
６ ホルダユニット駆動部
７ 揺動部
８ 揺動ユニット駆動部
９ 研削液供給部
１０ 研磨液供給部
１１ 位置調整部
１２ 位置調整ユニット駆動部
１３ 台座
１４ 制御装置
２１、２１Ａ 研磨砥石
２２ 研削砥石
２３ 研磨液排出路
２４ 貫通孔
２５ 壁部
１１１ 第１位置調整部
１１２ 第２位置調整部
２１１、２１１Ａ 球面研磨部
２１１ａ 溝
２１１Ａａ 凹部
２２１ 外周研削部
２２２ 球面研削部
２２３ 面取研削部
２２３ａ 突起部
１００ 凸レンズ加工装置

Claims (6)

1. 光学部材からなる加工対象物に対して研削及び研磨加工を施すことにより凸レンズを加工する凸レンズ加工装置であって、
   回転軸を中心として同心円状に配置されている外周研削部、球面研削部、球面研磨部、面取研削部を有する砥石と、
   前記砥石を保持して前記回転軸を中心として一体的に回転する第１回転体と、
   前記加工対象物を保持して一体的に回転する第２回転体と、
   加工する凸レンズの曲率中心を中心として前記加工対象物を揺動するとともに、前記加工対象物の前記砥石に対する角度を調整する揺動部と、
   前記加工対象物の前記砥石に対する位置を調整する位置調整部と、
   を備えることを特徴とする凸レンズ加工装置。
2. 前記砥石は、前記球面研磨部が前記外周研削部、前記球面研削部、及び前記面取研削部より内側に位置しており、
   研磨面に研磨液を供給する研磨液供給部と、
   前記研磨液供給部とは供給経路が異なり、研削面に研削液を供給する研削液供給部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の凸レンズ加工装置。
3. 前記外周研削部、及び前記球面研削部は、平面であり、
   前記面取研削部は、面取の角度に応じた突起部を有し、
   前記球面研磨部は、平面、又は前記加工する凸レンズの曲率と略等しい曲率を有し、前記回転軸を中心に形成されたリング状の溝を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の凸レンズ加工装置。
4. 前記外周研削部、及び前記球面研削部は、平面であり、
   前記面取研削部は、面取の角度に応じた突起部を有し、
   前記球面研磨部は、前記加工する凸レンズの曲率と略等しい曲率を有し、前記回転軸上に曲率中心が位置する凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の凸レンズ加工装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の凸レンズ加工装置を用いてレンズを加工することを特徴とする凸レンズ加工方法。
6. 同心円状に配置されている外周研削部、球面研削部、球面研磨部、及び面取研削部を備えることを特徴とする砥石。

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