JP3686196B2 - 光学部材の球面創成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーブジェネレータを用いたレンズまたはレンズ成形型部材などの光学部材の球面創成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カーブジェネレータを用いた光学部材の球面創成方法には、日本オプトメカトロニクス協会発行の「光学素子加工技術」に所載の技術が開示されている。この技術を図１１〜図１４を用いて説明する。図１１は一般的に知られたカーブジェネレータを用いた光学部材の球面創成方法の加工原理図、図１２は砥石スピンドルの軸心を所定のスイベル角に設定した図、図１３はワークスピンドルの軸心を砥石先端曲率半径の中心に合致させた図、図１４はワークスピンドルをカップ型研削砥石に当接させて球面創成加工する図である。
【０００３】
図１１において、ワークスピンドル１０１は、その軸心たるワーク軸１０５を中心に低速回転する。ワークスピンドル１０１の先端には、光学ガラス等からなるワーク１０２を保持している。ワークスピンドル１０１は、ワーク軸１０５に平行なＸ軸および垂直なＹ軸の方向に、それぞれ矢印Ｂ、矢印Ｃに示すように移動自在に構成されている。砥石スピンドル１０３は、その軸心たるＡ軸を中心に高速回転する。砥石スピンドル１０３の先端には、カップ型研削砥石１０４が取着されている。カップ型研削砥石１０４の先端は、砥石中央径Ｄの環状をなし、その先端断面形状は砥石中央径Ｄ上に中心１０４ａをもつ砥石先端曲率半径ｒの円弧状に形成されている。また、砥石スピンドル１０３のＡ軸上の原点Ｏを中心として、砥石スピンドル１０３は矢印Ｓの方向に旋回自在に構成されている。なお、Ｘ軸、Ｙ軸およびＡ軸は原点Ｏを基準にした同一平面上に存在している。
【０００４】
上記カーブジェネレータを用いて球面を創成するには、まず、スイベル角θを下記▲３▼式を用いて算出する。
ｓｉｎθ＝Ｄ／２（Ｒ±ｒ）・・・▲３▼
但し、
θ：Ｘ軸とＡ軸とのなす角（以後「スイベル角」とよぶ）
Ｄ：カップ型研削砥石の砥石中央径
Ｒ：ワークに創成される球面の曲率半径
ｒ：カップ型研削砥石の砥石先端曲率半径（＋は凸面加工、−は凹面加工）
【０００５】
目標とする球面の曲率半径をＲ0 として、カップ型研削工具の砥石中央径Ｄおよび先端曲率半径ｒを測定し、▲３▼式にそれぞれ代入してスイベル角θを求める。つぎに図１２に示すように、砥石スピンドル３を，計算で求めたスイベル角θになるように旋回させる。さらに、図１３に示すように、ワークスピンドル１０１のワーク軸１０５のＹ座標ｙ1 とカップ型研削砥石１０４の砥石先端曲率半径ｒの中心１０４ａのＹ座標ｙ2 とが合致するように、ワークスピンドル１０１をＹ軸方向に移動する。さらにまた、図１４に示すように、ワークスピンドル１０１を低速回転させながらＸ軸方向に移動して、高速回転するカップ型研削砥石１０４に近接させ、ワーク１０２が所定の厚さになるまで研削加工する。所定の厚さになったところで、ワークスピンドル１０１のＸ軸方向の移動を停止し、ワ−ク１０２を１回転以上させることにより、目標とする球面が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記従来技術には、つぎのような問題点があった。従来の加工条件の設定においては、砥石中央径Ｄと砥石先端曲率半径ｒとを測定し、その測定値を基に加工条件設定を行うが、一般に砥石先端は精度良く製作されていないので、砥石先端曲率半径ｒを精度良く測定することは困難である。また、砥石先端曲率半径ｒが精度良く製作されていたとしても、カップ型研削砥石は使用している間に先端形状が変化する。即ち、加工条件によって異なるものの、図１５に示すように、（ａ）の円弧形状から（ｂ）の尖った形状に移行する。このように変化した形状では、砥石先端曲率半径ｒを測定することはできないので、前記▲３▼式を用いる代わりに、新品の砥石でないかぎり、下記▲４▼式を用いた加工条件の設定を余儀なくされている。
ｓｉｎθ＝Ｄ11／（２Ｒ0 ）・・・▲４▼
但し、
θ：スイベル角
Ｄ11：概略の砥石中央径
Ｒ0 ：目標とする球面の曲率半径
従って、概略の砥石中央径Ｄ11は正確な数値を代入できないので、正しいスイベル角θを求めることができず、概略の球面創成加工を行って、熟練技術者による経験とカンとによって、最終的な加工条件の補正が行われていた。
【０００７】
また例えば、ワークがレンズの場合に、レンズの加工品質には、球面の曲率半径、レンズ中心部に創成される削り残しの突起（以下ヘソとよぶ）の有無、および中肉の厚さの３項目が挙げられるが、前記２項目（球面の曲率半径、レンズ中心部のヘソの有無）の補正をそれぞれ行うと他の項目に影響する。そのため、熟練技術者といえども、１項目の補正を行い、目標とするレンズの球面を創成するためには、数回〜数十回の補正による試し加工を行うこととなり、長時間を要していた。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、請求項１、２または３に係る発明の課題は、カップ型研削砥石の磨耗状況に影響されず、熟練技術者でなくても、短時間で正確な加工条件設定が行える光学部材の球面創成方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１、２または３に係る発明は、カーブジェネレータのワーク軸上に光学部材用素材を保持して回転させ、これを回転するカップ型研削砥石に当接させて球面を創成する光学部材の球面創成方法において、前記カップ型研削砥石の真の砥石有効径Ｄ0 を、初期加工時のスイベル角θ1 、並びに初期加工した光学部材用素材の曲率半径Ｒ1 およびヘソ径Ｈのそれぞれの値から計算で求め、この真の砥石有効径Ｄ0 の値を基に加工条件の補正を行うことを特徴とする。
【００１０】
請求項１、２または３に係る発明の作用では、カップ型研削砥石の真の砥石有効径Ｄ0 を、初期加工時のスイベル角θ1 、並びに初期加工した光学部材用素材の曲率半径Ｒ1 およびヘソ径Ｈのそれぞれの値から計算で求め、この真の砥石有効径Ｄ0 の値を基に加工条件の補正を行うことにより、カップ型研削砥石の磨耗を直接測定する必要がなく、正確な補正を行うことができる。
請求項２に係る発明の作用では、上記作用に加え、真の砥石有効径Ｄ0 は、下記▲１▼式にて求められるので、迅速な計算が可能となる。
Ｄ0 ＝２｜Ｒ1 ｜ｓｉｎ〔θ1 −ｓｉｎ-1｛Ｈ／（２｜Ｒ1 ｜）｝〕・・▲１▼
但し、
θ1 ：初期加工時のスイベル角
Ｒ1 ：スイベル角θ1 で加工された球面の曲率半径（凸面は＋、凹面は−）
Ｈ：スイベル角θ1 で加工された球面のヘソ径（外ヘソは＋、内ヘソは−）
請求項３に係る発明の作用では、上記作用に加え、加工条件の補正のうち、補正後のスイベル角θ0 を下記▲２▼式にて求められるので、迅速な計算が可能となる。
θ0 ＝ｓｉｎ-1｛Ｄ0 ／（２｜Ｒ0 ｜）｝・・・▲２▼
但し、
Ｄ0 ：真の砥石有効径
Ｒ0 ：目標とする球面の曲率半径
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１〜図８は発明の実施の形態を示し、図１はカーブジェネレータの平面図、図２はＮＣ装置による球面創成加工法のフローチャート、図３はスイベル台の初期のスイベル角を設定した図、図４は砥石先端とワーク軸を略合致させた図、図５は手動モードによる初期の球面創成加工の図、図６はヘソの種類を示す図、図７はワークの測定図、図８は自動モードによる球面創成加工の図である。まず、本発明の実施の形態に用いるカーブジェネレータについて説明する。
【００１２】
図１において、図示を省略した基台上には、Ｙスライド台１がＹモータ２の駆動によりＹ軸方向に移動自在に配設されている。Ｙスライド台１上には、ワークヘッド３が配設され、Ｘモータ４の駆動によりＸ軸方向に移動自在となっている。ワークヘッド３には、ワークスピンドル５が装備され、図示を省略したモータの駆動によりワークスピンドル５の軸心たるワーク軸８を中心に低速回転する。ワークスピンドル５の先端には、光学ガラスからなる光学部材用素材としてのワーク７を保持したチャック６が取着されている。
【００１３】
また、前記基台上には、旋回モータ１０の駆動により原点Ｏを中心として旋回するスイベル台９が配設されている。スイベル台９上には、砥石ヘッド１１が配設され、砥石ヘッド１１には、砥石スピンドル１２が装備されている。砥石スピンドル１２は図示を省略したモータの駆動により研磨スピンドル１２の軸心たる砥石軸１３を中心に高速回転する。砥石スピンドル１２の先端には、カップ型研削砥石１４が取着されている。カップ型研削砥石１４は、砥石先端が磨耗しているので、真の砥石有効径Ｄ0 は測定できないため、概略砥石径Ｄ1 が測定されている。なお、図１において原点Ｏを基準として、ワーク軸８に平行なＸ軸と、ワーク軸８に垂直なＹ軸とが設定され、Ｘ軸、Ｙ軸、ワーク軸８および砥石軸１３は同一平面上に存在する。また、砥石軸１３と原点Ｏとの距離Ｗが存在し、カーブジェネレータ固有の値を有している。
【００１４】
Ｙモータ２、Ｘモータ４および旋回モータ１０は、ＮＣ装置１５に電気的に接続されており、これらのモータは図２に示すフローチャートにより制御される。ＮＣ装置１５には、通常の球面創成加工プログラムと補正計算プログラムとが記憶されている。この補正計算プログラムは、式（ａ）でカップ型研削砥石１４の真の砥石有効径Ｄ0 、式（ｂ）でワーク７を目標とする球面の曲率半径Ｒ0 に加工できるスイベル角θ0 、式（ｄ）でカップ型研削砥石１４に対するＹスライド台１のＹ方向のスパークアウトＹ座標Ｙ0 （真の砥石有効径Ｄ0 と砥石先端部Ｅとが交差する位置）、式（ｆ）でワーク７の中肉測定値Ｔ1 と中肉目標値Ｔ0 との差ΔＴ、式（ｇ）で砥石軸１３のスイベル角を補正することによるワーク７の中肉変化量ΔＴθ、式（ｈ）でワーク７の中肉目標値Ｔ0 を加工できるカップ型研削砥石１４に対するワークヘッド３のＸ方向のスパークアウトＸ座標Ｘ0 （真の砥石有効径Ｄ0 と砥石先端部Ｅとが交差する位置）をそれぞれ求めている。なお、Ｙモータ２、Ｘモータ４および旋回モータ１０は、手動モードで制御することもできるようになっている。
【００１５】
上述のカーブジェネレータを用いて、レンズの凸球面を創成加工する場合について説明する。まず、カップ型研削砥石１４の概略砥石径Ｄ1 を測定する。つぎに下記▲５▼式に概略砥石径Ｄ1 および球面の目標曲率半径Ｒ0 を代入して、初期スイベル角θ1 （スイベル角：砥石軸１３とワーク軸８とのなす角）を求める。
θ1 ＝ｓｉｎ-1｛Ｄ1 ／（２｜Ｒ0 ｜）｝・・・▲５▼
つぎに、図３に示すように、スイベル角がθ1 になるように、スイベル台９を手動モードで旋回する。さらに、図４に示すように、カップ型研削砥石１４の砥石先端部Ｅとワーク軸８とが目分量で合致するように、Ｙスライド台１を手動モードで移動する。
【００１６】
つぎに、図示を省略したモータを駆動させ、ワークスピンドル５と砥石スピンドル１２とを回転させる。さらに、ワークヘッド３を手動モードで、Ｘ軸の正方向へゆっくり移動させ、球面創成加工を行う。図５に示すように、ワーク７がワーク軸８に相当する球面の中心まで加工されたところでワークヘッド３の送りを止める。このときの送りは、ワーク７が削り過ぎによる不良とならないように、厚さが中肉目標値Ｔ0 より厚い位置で停止させる。この状態で、ワーク７が１回転以上するまで待機してから、ワークヘッド３のＸ座標を初期位置（図４のＸ座標）に戻す。
【００１７】
ここで、球面創成加工されたワーク７の曲率半径Ｒ1 、中心にできるヘソ径Ｈ、および中肉Ｔ1 を測定する。それぞれの測定方法は以下の通りである。
（１）曲率半径Ｒ1 の測定
簡易球面計を使用して、マスターレンズとの比較により計算で求める。
（２）ヘソ径Ｈの測定
ノギスまたは工具顕微鏡などを用いて測定する。但し、ヘソには、図６（ａ）に示すように、ワーク７の回転軸がカップ型研削砥石１４の外側にあるために発生する外へソと、図６（ｂ）に示すように、内側にあるために発生する内へソがある。計算上では、外へソの径Ｈは正（＋）として、内へソの径Ｈは負（−）として扱う。なお、内へソと外へソとの見分けは、ワーク７の球面の加工跡から判断する。
（３）中肉Ｔ1 の測定
図７（ａ）に示すように、ヘソが無い場合は、ワーク７の回転軸上を、ヘソがある場合は、ヘソ径Ｈの円周上でワーク７の回転軸と平行な方向に測定する。
【００１８】
つぎに、測定した曲率半径Ｒ1 、ヘソ径Ｈ、中肉Ｔ1 と、目標とする球面の曲率半径Ｒ0 、中肉目標値Ｔ0 、初期スイベル角θ1 、ワークヘッドの初期スパークアウトＸ座標Ｘ1 、および初期スパークアウトＹ座標Ｙ1 の値をＮＣ装置に入力する。手動モードから自動モードに切り替えて、図２に示したフローチャートのプログラムを走らせ、図８に示すように、球面創成加工を行う。
【００１９】
球面創成加工後、再度、ワーク７の球面曲率半径、ヘソ径および中肉を測定し、目標どおりの球面が創成されたか否か確認する。このワーク７の球面は、真の砥石有効径Ｄ0 を基に求められた加工条件で球面創成加工されているので、殆どの場合、目標どおりの形状に球面創成されているが、微妙に目標値とずれている項目があれば、その項目のみ、測定値を再度入力し、再補正を行う。補正が完了し、連続加工に入った後でも、カップ型研削砥石の磨耗や、温度変化による影響から、ワークの球面形状が変化する可能性があるので、定期的に上記３項目（曲率半径Ｒ、ヘソ径Ｈ、中肉Ｔ）を測定し、測定値が目標値とずれたときのみ、その測定値を入力し、補正を行う。
【００２０】
本発明の実施の形態によれば、曲率半径、ヘソ、中肉の３つの補正が同時に正確に行え、カップ型研削砥石の磨耗による補正精度の悪化がないため、熟練技術者でなくても、短時間で正確な加工条件設定を行うことができる。
【００２１】
【実施例】
つぎに、上述の発明の実施の形態に示した球面創成方法に基づいて、ＣＡＤを用いた作図により、レンズの凸球面の補正精度を確認した実施例を説明する。図９〜図１０は本実施例を示し、図９は初期加工を示す図、図１０は加工条件補正後の球面創成加工を示す図である。
【００２２】
本実施例は、図９に示す光学素材からなるワーク７を曲率半径Ｒ0 ＝１７．３７２ｍｍ、中肉Ｔ0 ＝７．１０５ｍｍの凸レンズに加工するものである。目標とする球面の曲率半径Ｒ0 ＝１７．３７２と、初期加工時のスイベル角θ1 ＝３８°とをＮＣ装置１５（図１参照）に入力しての初期加工における各軸のスパークアウト座標は、Ｘ1 ＝−９．７１３ｍｍ、Ｙ1 ＝７．１５６ｍｍ、θ1 ＝３８°である。初期加工にて創成されるレンズの形状は、曲率半径Ｒ1 ＝１１．７５７ｍｍ、中肉Ｔ1 ＝９．２１９ｍｍ、ヘソ径Ｈ＝２ｍｍ（内へソ）になる。この３つの値を作業者が測定して、ＮＣ装置１５に入力したとすると、図２で示した補正計算プログラムの計算結果は、以下のようになる。
【００２３】
〔入力値〕
Ｗ＝４（カーブジェネレータの固有値）
Ｒ0 ＝１７．３７２
Ｔ0 ＝７．１０５
Ｒ1 ＝１１．７５７
Ｔ1 ＝９．２１９
Ｈ＝−２（内へソにより−）
θ1 ＝３８
Ｙ1 ＝７．１５６
Ｘ1 ＝−９．７１３
〔計算結果〕
θ0 ＝２７．４２
Ｙ0 ＝３．４１１
Ｘ0 ＝−６．７１３
【００２４】
図１０に示すように、上記計算結果のスパークアウト座標で球面創成加工をした結果では、曲率半径Ｒ0 ＝１７．３７２ｍｍ、中肉Ｔ0 ＝７．１０５ｍｍで、ヘソが出現しないレンズの凸球面を創成できることが分かり、１回の補正で目標どおりの球面を得ることが確認できた。
【００２５】
なお、本発明の実施の形態では、曲率半径の測定を球面計により換算する計算式は、補正計算プログラムにはなく、別に行うものであったが、この計算プログラムに入れてもよい。この場合、曲率半径Ｒを入力する替わりに、球面計に表示されるマスターレンズとの球欠量の差を入力すればよいので、より作業者の負担が減り、工数削減になる。
【００２６】
また、本発明の実施の形態では、スイベル角およびワーク軸のスパークアウト座標（θ、Ｘ、Ｙ）を毎回入力するようにしていたが、各軸のスパークアウト座標は自動的にＮＣ装置に入力できるようにしてもよい。この場合、作業者は補正したいときに、ワークの測定値（曲率半径Ｒ、ヘソ径Ｈ、中肉Ｔ）の３項目のみ入力すればよく、作業者の負担が減り工数削減になる。
【００２７】
さらにまた、本発明の実施の形態では、レンズの凸球面を創成する場合について説明したが、凹球面を創成する場合にも同様に適用することができる。また、レンズの他、球面を有するプリズムなどの他の光学素子の球面創成加工にも適用することができる。さらに、プレスレンズやプラスチックレンズを成形するための成形型部材の球面創成加工にも適用することができる。
【００２８】
なお、本発明は下記（１）に記載の発明を含むものである。
（１） 前記加工条件の補正を、下記に示すステップで行うことを特徴とする請求項１記載の光学部材の球面創成方法。
ステップ１） カップ型研削砥石の初期概略砥石径Ｄ1 を測定する。
ステップ２） 下記▲５▼式により求めたスイベル角θ1 で光学部材用素材の初期加工を行う。
θ1 ＝ｓｉｎ-1｛Ｄ1 ／（２｜Ｒ0 ｜）｝・・・▲５▼
但し、Ｄ1 ：初期概略砥石径、Ｒ0 ：目標の曲率半径
ステップ３） ステップ２で加工された光学部材用素材の球面の曲率半径Ｒ1 （凸面は＋、凹面は−）とヘソ径Ｈ（外ヘソは＋、内ヘソは−）を測定する。
ステップ４） 前記▲１▼式により、真の砥石有効径Ｄ0 を求める。
ステップ５） 前記▲２▼式により、目標の曲率半径Ｒ0 に創成加工できるスイベル角θ0 を求める。
ステップ６） スイベル角をθ0 にする。
ステップ７） 真の砥石有効径Ｄ0 とワーク軸が交差するように、ワーク軸または砥石軸を移動する。
ステップ８） ステップ２で加工された光学部材用素材の中肉測定値Ｔ1 と中肉目標値Ｔ0 との差ΔＴ＝Ｔ0 −Ｔ1 を求める。
ステップ９） ステップ６で、スイベル角をθ1 からθ0 に変化させ、ステップ７でワーク軸または砥石軸を移動したことにより、中肉が変化する量ΔＴθを求める。
ステップ10） 中肉目標値Ｔ0 に加工するためのワーク切り込み座標Ｘ0 を下記▲６▼式により求める。
Ｘ0 ＝Ｘ1 ＋ΔＴθ−ΔＴ・・・▲６▼
但し、Ｘ1 ：初期加工でのワーク切り込み座標
ステップ11） ワークの切り込み座標がＸ0 になるまで切り込み加工する。
ステップ12） 目標とする球面形状に加工されているか確認する。ずれている項目があれば、ステップ４に戻り、再度補正する。
このようなステップ１〜１２によって作業を進めることにより、請求項１の効果に加え、ＮＣ装置による自動モード作業を容易に推進することができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１、２または３に係る発明によれば、カップ型研削砥石の磨耗を直接測定する必要がなく、正確な補正を行うことができるので、カップ型研削砥石の磨耗による補正精度の悪化がなく、熟練技術者でなくても、短時間で正確な加工条件設定を行うことができる。
請求項２に係る発明によれば、上記効果に加え、真の砥石有効径の迅速な計算が可能となるので、ＮＣ装置による自動モード作業が容易となる。
請求項３に係る発明によれば、上記効果に加え、補正後のスイベル角の迅速な計算が可能となるので、ＮＣ装置による自動モード作業が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態のカーブジェネレータの平面図である。
【図２】発明の実施の形態のＮＣ装置による球面創成加工法のフローチャートである。
【図３】発明の実施の形態のスイベル台の初期のスイベル角を設定した図である。
【図４】発明の実施の形態の砥石先端とワーク軸を略合致させた図である。
【図５】発明の実施の形態の手動モードによる初期の球面創成加工の図である。
【図６】発明の実施の形態のヘソの種類を示す図である。
【図７】発明の実施の形態のワークの測定図である。
【図８】発明の実施の形態の自動モードによる球面創成加工の図である。
【図９】実施例の初期加工を示す図である。
【図１０】実施例の加工条件補正後の球面創成加工を示す図である。
【図１１】従来技術の一般的に知られたカーブジェネレータを用いた光学部材の球面創成方法の加工原理図である。
【図１２】従来技術の砥石スピンドルの軸心を所定のスイベル角に設定した図である。
【図１３】従来技術のワークスピンドルの軸心を砥石先端曲率半径の中心に合致させた図である。
【図１４】従来技術のワークスピンドルをカップ型研削砥石に当接させて球面創成加工する図である。
【図１５】従来技術のカップ型研削砥石の先端の磨耗状況を示す図である。
【符号の説明】
７ ワーク
８ ワーク軸
１４ カップ型研削砥石
θ1 スイベル角
Ｒ1 曲率半径
Ｈ ヘソ径
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーブジェネレータを用いたレンズまたはレンズ成形型部材などの光学部材の球面創成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カーブジェネレータを用いた光学部材の球面創成方法には、日本オプトメカトロニクス協会発行の「光学素子加工技術」に所載の技術が開示されている。この技術を図１１〜図１４を用いて説明する。図１１は一般的に知られたカーブジェネレータを用いた光学部材の球面創成方法の加工原理図、図１２は砥石スピンドルの軸心を所定のスイベル角に設定した図、図１３はワークスピンドルの軸心を砥石先端曲率半径の中心に合致させた図、図１４はワークスピンドルをカップ型研削砥石に当接させて球面創成加工する図である。
【０００３】
図１１において、ワークスピンドル１０１は、その軸心たるワーク軸１０５を中心に低速回転する。ワークスピンドル１０１の先端には、光学ガラス等からなるワーク１０２を保持している。ワークスピンドル１０１は、ワーク軸１０５に平行なＸ軸および垂直なＹ軸の方向に、それぞれ矢印Ｂ、矢印Ｃに示すように移動自在に構成されている。砥石スピンドル１０３は、その軸心たるＡ軸を中心に高速回転する。砥石スピンドル１０３の先端には、カップ型研削砥石１０４が取着されている。カップ型研削砥石１０４の先端は、砥石中央径Ｄの環状をなし、その先端断面形状は砥石中央径Ｄ上に中心１０４ａをもつ砥石先端曲率半径ｒの円弧状に形成されている。また、砥石スピンドル１０３のＡ軸上の原点Ｏを中心として、砥石スピンドル１０３は矢印Ｓの方向に旋回自在に構成されている。なお、Ｘ軸、Ｙ軸およびＡ軸は原点Ｏを基準にした同一平面上に存在している。
【０００４】
上記カーブジェネレータを用いて球面を創成するには、まず、スイベル角θを下記▲３▼式を用いて算出する。
ｓｉｎθ＝Ｄ／２（Ｒ±ｒ）・・・▲３▼
但し、
θ：Ｘ軸とＡ軸とのなす角（以後「スイベル角」とよぶ）
Ｄ：カップ型研削砥石の砥石中央径
Ｒ：ワークに創成される球面の曲率半径
ｒ：カップ型研削砥石の砥石先端曲率半径（＋は凸面加工、−は凹面加工）
【０００５】
目標とする球面の曲率半径をＲ0 として、カップ型研削工具の砥石中央径Ｄおよび先端曲率半径ｒを測定し、▲３▼式にそれぞれ代入してスイベル角θを求める。つぎに図１２に示すように、砥石スピンドル３を，計算で求めたスイベル角θになるように旋回させる。さらに、図１３に示すように、ワークスピンドル１０１のワーク軸１０５のＹ座標ｙ1 とカップ型研削砥石１０４の砥石先端曲率半径ｒの中心１０４ａのＹ座標ｙ2 とが合致するように、ワークスピンドル１０１をＹ軸方向に移動する。さらにまた、図１４に示すように、ワークスピンドル１０１を低速回転させながらＸ軸方向に移動して、高速回転するカップ型研削砥石１０４に近接させ、ワーク１０２が所定の厚さになるまで研削加工する。所定の厚さになったところで、ワークスピンドル１０１のＸ軸方向の移動を停止し、ワ−ク１０２を１回転以上させることにより、目標とする球面が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記従来技術には、つぎのような問題点があった。従来の加工条件の設定においては、砥石中央径Ｄと砥石先端曲率半径ｒとを測定し、その測定値を基に加工条件設定を行うが、一般に砥石先端は精度良く製作されていないので、砥石先端曲率半径ｒを精度良く測定することは困難である。また、砥石先端曲率半径ｒが精度良く製作されていたとしても、カップ型研削砥石は使用している間に先端形状が変化する。即ち、加工条件によって異なるものの、図１５に示すように、（ａ）の円弧形状から（ｂ）の尖った形状に移行する。このように変化した形状では、砥石先端曲率半径ｒを測定することはできないので、前記▲３▼式を用いる代わりに、新品の砥石でないかぎり、下記▲４▼式を用いた加工条件の設定を余儀なくされている。
ｓｉｎθ＝Ｄ11／（２Ｒ0 ）・・・▲４▼
但し、
θ：スイベル角
Ｄ11：概略の砥石中央径
Ｒ0 ：目標とする球面の曲率半径
従って、概略の砥石中央径Ｄ11は正確な数値を代入できないので、正しいスイベル角θを求めることができず、概略の球面創成加工を行って、熟練技術者による経験とカンとによって、最終的な加工条件の補正が行われていた。
【０００７】
また例えば、ワークがレンズの場合に、レンズの加工品質には、球面の曲率半径、レンズ中心部に創成される削り残しの突起（以下ヘソとよぶ）の有無、および中肉の厚さの３項目が挙げられるが、前記２項目（球面の曲率半径、レンズ中心部のヘソの有無）の補正をそれぞれ行うと他の項目に影響する。そのため、熟練技術者といえども、１項目の補正を行い、目標とするレンズの球面を創成するためには、数回〜数十回の補正による試し加工を行うこととなり、長時間を要していた。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、請求項１、２または３に係る発明の課題は、カップ型研削砥石の磨耗状況に影響されず、熟練技術者でなくても、短時間で正確な加工条件設定が行える光学部材の球面創成方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１、２または３に係る発明は、カーブジェネレータのワーク軸上に光学部材用素材を保持して回転させ、これを回転するカップ型研削砥石に当接させて球面を創成する光学部材の球面創成方法において、前記カップ型研削砥石の真の砥石有効径Ｄ0 を、初期加工時のスイベル角θ1 、並びに初期加工した光学部材用素材の曲率半径Ｒ1 およびヘソ径Ｈのそれぞれの値から計算で求め、この真の砥石有効径Ｄ0 の値を基に加工条件の補正を行うことを特徴とする。
【００１０】
請求項１、２または３に係る発明の作用では、カップ型研削砥石の真の砥石有効径Ｄ0 を、初期加工時のスイベル角θ1 、並びに初期加工した光学部材用素材の曲率半径Ｒ1 およびヘソ径Ｈのそれぞれの値から計算で求め、この真の砥石有効径Ｄ0 の値を基に加工条件の補正を行うことにより、カップ型研削砥石の磨耗を直接測定する必要がなく、正確な補正を行うことができる。
請求項２に係る発明の作用では、上記作用に加え、真の砥石有効径Ｄ0 は、下記▲１▼式にて求められるので、迅速な計算が可能となる。
Ｄ0 ＝２｜Ｒ1 ｜ｓｉｎ〔θ1 −ｓｉｎ-1｛Ｈ／（２｜Ｒ1 ｜）｝〕・・▲１▼
但し、
θ1 ：初期加工時のスイベル角
Ｒ1 ：スイベル角θ1 で加工された球面の曲率半径（凸面は＋、凹面は−）
Ｈ：スイベル角θ1 で加工された球面のヘソ径（外ヘソは＋、内ヘソは−）
請求項３に係る発明の作用では、上記作用に加え、加工条件の補正のうち、補正後のスイベル角θ0 を下記▲２▼式にて求められるので、迅速な計算が可能となる。
θ0 ＝ｓｉｎ-1｛Ｄ0 ／（２｜Ｒ0 ｜）｝・・・▲２▼
但し、
Ｄ0 ：真の砥石有効径
Ｒ0 ：目標とする球面の曲率半径
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１〜図８は発明の実施の形態を示し、図１はカーブジェネレータの平面図、図２はＮＣ装置による球面創成加工法のフローチャート、図３はスイベル台の初期のスイベル角を設定した図、図４は砥石先端とワーク軸を略合致させた図、図５は手動モードによる初期の球面創成加工の図、図６はヘソの種類を示す図、図７はワークの測定図、図８は自動モードによる球面創成加工の図である。まず、本発明の実施の形態に用いるカーブジェネレータについて説明する。
【００１２】
図１において、図示を省略した基台上には、Ｙスライド台１がＹモータ２の駆動によりＹ軸方向に移動自在に配設されている。Ｙスライド台１上には、ワークヘッド３が配設され、Ｘモータ４の駆動によりＸ軸方向に移動自在となっている。ワークヘッド３には、ワークスピンドル５が装備され、図示を省略したモータの駆動によりワークスピンドル５の軸心たるワーク軸８を中心に低速回転する。ワークスピンドル５の先端には、光学ガラスからなる光学部材用素材としてのワーク７を保持したチャック６が取着されている。
【００１３】
また、前記基台上には、旋回モータ１０の駆動により原点Ｏを中心として旋回するスイベル台９が配設されている。スイベル台９上には、砥石ヘッド１１が配設され、砥石ヘッド１１には、砥石スピンドル１２が装備されている。砥石スピンドル１２は図示を省略したモータの駆動により研磨スピンドル１２の軸心たる砥石軸１３を中心に高速回転する。砥石スピンドル１２の先端には、カップ型研削砥石１４が取着されている。カップ型研削砥石１４は、砥石先端が磨耗しているので、真の砥石有効径Ｄ0 は測定できないため、概略砥石径Ｄ1 が測定されている。なお、図１において原点Ｏを基準として、ワーク軸８に平行なＸ軸と、ワーク軸８に垂直なＹ軸とが設定され、Ｘ軸、Ｙ軸、ワーク軸８および砥石軸１３は同一平面上に存在する。また、砥石軸１３と原点Ｏとの距離Ｗが存在し、カーブジェネレータ固有の値を有している。
【００１４】
Ｙモータ２、Ｘモータ４および旋回モータ１０は、ＮＣ装置１５に電気的に接続されており、これらのモータは図２に示すフローチャートにより制御される。ＮＣ装置１５には、通常の球面創成加工プログラムと補正計算プログラムとが記憶されている。この補正計算プログラムは、式（ａ）でカップ型研削砥石１４の真の砥石有効径Ｄ0 、式（ｂ）でワーク７を目標とする球面の曲率半径Ｒ0 に加工できるスイベル角θ0 、式（ｄ）でカップ型研削砥石１４に対するＹスライド台１のＹ方向のスパークアウトＹ座標Ｙ0 （真の砥石有効径Ｄ0 と砥石先端部Ｅとが交差する位置）、式（ｆ）でワーク７の中肉測定値Ｔ1 と中肉目標値Ｔ0 との差ΔＴ、式（ｇ）で砥石軸１３のスイベル角を補正することによるワーク７の中肉変化量ΔＴθ、式（ｈ）でワーク７の中肉目標値Ｔ0 を加工できるカップ型研削砥石１４に対するワークヘッド３のＸ方向のスパークアウトＸ座標Ｘ0 （真の砥石有効径Ｄ0 と砥石先端部Ｅとが交差する位置）をそれぞれ求めている。なお、Ｙモータ２、Ｘモータ４および旋回モータ１０は、手動モードで制御することもできるようになっている。
【００１５】
上述のカーブジェネレータを用いて、レンズの凸球面を創成加工する場合について説明する。まず、カップ型研削砥石１４の概略砥石径Ｄ1 を測定する。つぎに下記▲５▼式に概略砥石径Ｄ1 および球面の目標曲率半径Ｒ0 を代入して、初期スイベル角θ1 （スイベル角：砥石軸１３とワーク軸８とのなす角）を求める。
θ1 ＝ｓｉｎ-1｛Ｄ1 ／（２｜Ｒ0 ｜）｝・・・▲５▼
つぎに、図３に示すように、スイベル角がθ1 になるように、スイベル台９を手動モードで旋回する。さらに、図４に示すように、カップ型研削砥石１４の砥石先端部Ｅとワーク軸８とが目分量で合致するように、Ｙスライド台１を手動モードで移動する。
【００１６】
つぎに、図示を省略したモータを駆動させ、ワークスピンドル５と砥石スピンドル１２とを回転させる。さらに、ワークヘッド３を手動モードで、Ｘ軸の正方向へゆっくり移動させ、球面創成加工を行う。図５に示すように、ワーク７がワーク軸８に相当する球面の中心まで加工されたところでワークヘッド３の送りを止める。このときの送りは、ワーク７が削り過ぎによる不良とならないように、厚さが中肉目標値Ｔ0 より厚い位置で停止させる。この状態で、ワーク７が１回転以上するまで待機してから、ワークヘッド３のＸ座標を初期位置（図４のＸ座標）に戻す。
【００１７】
ここで、球面創成加工されたワーク７の曲率半径Ｒ1 、中心にできるヘソ径Ｈ、および中肉Ｔ1 を測定する。それぞれの測定方法は以下の通りである。
（１）曲率半径Ｒ1 の測定
簡易球面計を使用して、マスターレンズとの比較により計算で求める。
（２）ヘソ径Ｈの測定
ノギスまたは工具顕微鏡などを用いて測定する。但し、ヘソには、図６（ａ）に示すように、ワーク７の回転軸がカップ型研削砥石１４の外側にあるために発生する外へソと、図６（ｂ）に示すように、内側にあるために発生する内へソがある。計算上では、外へソの径Ｈは正（＋）として、内へソの径Ｈは負（−）として扱う。なお、内へソと外へソとの見分けは、ワーク７の球面の加工跡から判断する。
（３）中肉Ｔ1 の測定
図７（ａ）に示すように、ヘソが無い場合は、ワーク７の回転軸上を、ヘソがある場合は、ヘソ径Ｈの円周上でワーク７の回転軸と平行な方向に測定する。
【００１８】
つぎに、測定した曲率半径Ｒ1 、ヘソ径Ｈ、中肉Ｔ1 と、目標とする球面の曲率半径Ｒ0 、中肉目標値Ｔ0 、初期スイベル角θ1 、ワークヘッドの初期スパークアウトＸ座標Ｘ1 、および初期スパークアウトＹ座標Ｙ1 の値をＮＣ装置に入力する。手動モードから自動モードに切り替えて、図２に示したフローチャートのプログラムを走らせ、図８に示すように、球面創成加工を行う。
【００１９】
球面創成加工後、再度、ワーク７の球面曲率半径、ヘソ径および中肉を測定し、目標どおりの球面が創成されたか否か確認する。このワーク７の球面は、真の砥石有効径Ｄ0 を基に求められた加工条件で球面創成加工されているので、殆どの場合、目標どおりの形状に球面創成されているが、微妙に目標値とずれている項目があれば、その項目のみ、測定値を再度入力し、再補正を行う。補正が完了し、連続加工に入った後でも、カップ型研削砥石の磨耗や、温度変化による影響から、ワークの球面形状が変化する可能性があるので、定期的に上記３項目（曲率半径Ｒ、ヘソ径Ｈ、中肉Ｔ）を測定し、測定値が目標値とずれたときのみ、その測定値を入力し、補正を行う。
【００２０】
本発明の実施の形態によれば、曲率半径、ヘソ、中肉の３つの補正が同時に正確に行え、カップ型研削砥石の磨耗による補正精度の悪化がないため、熟練技術者でなくても、短時間で正確な加工条件設定を行うことができる。
【００２１】
【実施例】
つぎに、上述の発明の実施の形態に示した球面創成方法に基づいて、ＣＡＤを用いた作図により、レンズの凸球面の補正精度を確認した実施例を説明する。図９〜図１０は本実施例を示し、図９は初期加工を示す図、図１０は加工条件補正後の球面創成加工を示す図である。
【００２２】
本実施例は、図９に示す光学素材からなるワーク７を曲率半径Ｒ0 ＝１７．３７２ｍｍ、中肉Ｔ0 ＝７．１０５ｍｍの凸レンズに加工するものである。目標とする球面の曲率半径Ｒ0 ＝１７．３７２と、初期加工時のスイベル角θ1 ＝３８°とをＮＣ装置１５（図１参照）に入力しての初期加工における各軸のスパークアウト座標は、Ｘ1 ＝−９．７１３ｍｍ、Ｙ1 ＝７．１５６ｍｍ、θ1 ＝３８°である。初期加工にて創成されるレンズの形状は、曲率半径Ｒ1 ＝１１．７５７ｍｍ、中肉Ｔ1 ＝９．２１９ｍｍ、ヘソ径Ｈ＝２ｍｍ（内へソ）になる。この３つの値を作業者が測定して、ＮＣ装置１５に入力したとすると、図２で示した補正計算プログラムの計算結果は、以下のようになる。
【００２３】
〔入力値〕
Ｗ＝４（カーブジェネレータの固有値）
Ｒ0 ＝１７．３７２
Ｔ0 ＝７．１０５
Ｒ1 ＝１１．７５７
Ｔ1 ＝９．２１９
Ｈ＝−２（内へソにより−）
θ1 ＝３８
Ｙ1 ＝７．１５６
Ｘ1 ＝−９．７１３
〔計算結果〕
θ0 ＝２７．４２
Ｙ0 ＝３．４１１
Ｘ0 ＝−６．７１３
【００２４】
図１０に示すように、上記計算結果のスパークアウト座標で球面創成加工をした結果では、曲率半径Ｒ0 ＝１７．３７２ｍｍ、中肉Ｔ0 ＝７．１０５ｍｍで、ヘソが出現しないレンズの凸球面を創成できることが分かり、１回の補正で目標どおりの球面を得ることが確認できた。
【００２５】
なお、本発明の実施の形態では、曲率半径の測定を球面計により換算する計算式は、補正計算プログラムにはなく、別に行うものであったが、この計算プログラムに入れてもよい。この場合、曲率半径Ｒを入力する替わりに、球面計に表示されるマスターレンズとの球欠量の差を入力すればよいので、より作業者の負担が減り、工数削減になる。
【００２６】
また、本発明の実施の形態では、スイベル角およびワーク軸のスパークアウト座標（θ、Ｘ、Ｙ）を毎回入力するようにしていたが、各軸のスパークアウト座標は自動的にＮＣ装置に入力できるようにしてもよい。この場合、作業者は補正したいときに、ワークの測定値（曲率半径Ｒ、ヘソ径Ｈ、中肉Ｔ）の３項目のみ入力すればよく、作業者の負担が減り工数削減になる。
【００２７】
さらにまた、本発明の実施の形態では、レンズの凸球面を創成する場合について説明したが、凹球面を創成する場合にも同様に適用することができる。また、レンズの他、球面を有するプリズムなどの他の光学素子の球面創成加工にも適用することができる。さらに、プレスレンズやプラスチックレンズを成形するための成形型部材の球面創成加工にも適用することができる。
【００２８】
なお、本発明は下記（１）に記載の発明を含むものである。
（１） 前記加工条件の補正を、下記に示すステップで行うことを特徴とする請求項１記載の光学部材の球面創成方法。
ステップ１） カップ型研削砥石の初期概略砥石径Ｄ1 を測定する。
ステップ２） 下記▲５▼式により求めたスイベル角θ1 で光学部材用素材の初期加工を行う。
θ1 ＝ｓｉｎ-1｛Ｄ1 ／（２｜Ｒ0 ｜）｝・・・▲５▼
但し、Ｄ1 ：初期概略砥石径、Ｒ0 ：目標の曲率半径
ステップ３） ステップ２で加工された光学部材用素材の球面の曲率半径Ｒ1 （凸面は＋、凹面は−）とヘソ径Ｈ（外ヘソは＋、内ヘソは−）を測定する。
ステップ４） 前記▲１▼式により、真の砥石有効径Ｄ0 を求める。
ステップ５） 前記▲２▼式により、目標の曲率半径Ｒ0 に創成加工できるスイベル角θ0 を求める。
ステップ６） スイベル角をθ0 にする。
ステップ７） 真の砥石有効径Ｄ0 とワーク軸が交差するように、ワーク軸または砥石軸を移動する。
ステップ８） ステップ２で加工された光学部材用素材の中肉測定値Ｔ1 と中肉目標値Ｔ0 との差ΔＴ＝Ｔ0 −Ｔ1 を求める。
ステップ９） ステップ６で、スイベル角をθ1 からθ0 に変化させ、ステップ７でワーク軸または砥石軸を移動したことにより、中肉が変化する量ΔＴθを求める。
ステップ10） 中肉目標値Ｔ0 に加工するためのワーク切り込み座標Ｘ0 を下記▲６▼式により求める。
Ｘ0 ＝Ｘ1 ＋ΔＴθ−ΔＴ・・・▲６▼
但し、Ｘ1 ：初期加工でのワーク切り込み座標
ステップ11） ワークの切り込み座標がＸ0 になるまで切り込み加工する。
ステップ12） 目標とする球面形状に加工されているか確認する。ずれている項目があれば、ステップ４に戻り、再度補正する。
このようなステップ１〜１２によって作業を進めることにより、請求項１の効果に加え、ＮＣ装置による自動モード作業を容易に推進することができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１、２または３に係る発明によれば、カップ型研削砥石の磨耗を直接測定する必要がなく、正確な補正を行うことができるので、カップ型研削砥石の磨耗による補正精度の悪化がなく、熟練技術者でなくても、短時間で正確な加工条件設定を行うことができる。
請求項２に係る発明によれば、上記効果に加え、真の砥石有効径の迅速な計算が可能となるので、ＮＣ装置による自動モード作業が容易となる。
請求項３に係る発明によれば、上記効果に加え、補正後のスイベル角の迅速な計算が可能となるので、ＮＣ装置による自動モード作業が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態のカーブジェネレータの平面図である。
【図２】発明の実施の形態のＮＣ装置による球面創成加工法のフローチャートである。
【図３】発明の実施の形態のスイベル台の初期のスイベル角を設定した図である。
【図４】発明の実施の形態の砥石先端とワーク軸を略合致させた図である。
【図５】発明の実施の形態の手動モードによる初期の球面創成加工の図である。
【図６】発明の実施の形態のヘソの種類を示す図である。
【図７】発明の実施の形態のワークの測定図である。
【図８】発明の実施の形態の自動モードによる球面創成加工の図である。
【図９】実施例の初期加工を示す図である。
【図１０】実施例の加工条件補正後の球面創成加工を示す図である。
【図１１】従来技術の一般的に知られたカーブジェネレータを用いた光学部材の球面創成方法の加工原理図である。
【図１２】従来技術の砥石スピンドルの軸心を所定のスイベル角に設定した図である。
【図１３】従来技術のワークスピンドルの軸心を砥石先端曲率半径の中心に合致させた図である。
【図１４】従来技術のワークスピンドルをカップ型研削砥石に当接させて球面創成加工する図である。
【図１５】従来技術のカップ型研削砥石の先端の磨耗状況を示す図である。
【符号の説明】
７ ワーク
８ ワーク軸
１４ カップ型研削砥石
θ1 スイベル角
Ｒ1 曲率半径
Ｈ ヘソ径
Claims (3)
- カーブジェネレータのワーク軸上に光学部材用素材を保持して回転させ、これを回転するカップ型研削砥石に当接させて球面を創成する光学部材の球面創成方法において、
前記カップ型研削砥石の真の砥石有効径Ｄ0 を、初期加工時のスイベル角θ1 、並びに初期加工した光学部材用素材の曲率半径Ｒ1 およびヘソ径Ｈのそれぞれの値から計算で求め、この真の砥石有効径Ｄ0 の値を基に加工条件の補正を行うことを特徴とする光学部材の球面創成方法。 - 前記真の砥石有効径Ｄ0 は、下記▲１▼式にて求めることを特徴とする請求項１記載の光学部材の球面創成方法。
Ｄ0 ＝２｜Ｒ1 ｜ｓｉｎ〔θ1 −ｓｉｎ-1｛Ｈ／（２｜Ｒ1 ｜）｝〕・・▲１▼
但し、
θ1 ：初期加工時のスイベル角
Ｒ1 ：スイベル角θ1 で加工された球面の曲率半径（凸面は＋、凹面は−）
Ｈ：スイベル角θ1 で加工された球面のヘソ径（外ヘソは＋、内ヘソは−） - 前記加工条件の補正のうち、補正後のスイベル角θ0 を下記▲２▼式にて求めることを特徴とする請求項１記載の光学部材の球面創成方法。
θ0 ＝ｓｉｎ-1｛Ｄ0 ／（２｜Ｒ0 ｜）｝・・・▲２▼
但し、
Ｄ0 ：真の砥石有効径
Ｒ0 ：目標とする球面の曲率半径
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