JP3938213B2 - 光学的表面または光学的表面を製造するための型枠の加工方法およびこの方法を実施するための加工機 - Google Patents
光学的表面または光学的表面を製造するための型枠の加工方法およびこの方法を実施するための加工機 Download PDFInfo
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Description
光学的表面および特に減摩レンズのような複雑な形状を持った眼用レンズは、今日珪酸塩ガラスまたはプラスチックから製造することができる。珪酸塩レンズの光学的表面は、研削とその後の研磨により製造される。プラスチックレンズは、あらかじめ製作した雌型で鋳造により製作される。雌型、いわゆる型枠は、眼用レンズの製造と同じ方法で珪酸塩から製造され、即ち研削と研磨により製造される。
この方法の欠点は、特に眼用レンズの製造に必要なすべての型をあらかじめ在庫保持しておかねばならないことである。
さらに、製造工程が多段階にわたる場合、個々の工程の公差が最終製品に不都合に影響するのも欠点である。これを修正しようとすると非常に手間がかかり、複雑である。誤差は工程の最後になって確認されるのがほとんどで、したがって原因を特定するのが困難であるため、どのような付加的な工程を試みても状況は解消しない。
米国特許第5320006号公報により、プラスチックレンズの基本型を適当な回転機械上で回転加工し、次に研磨機で最終仕上げすることが知られている。この場合研磨工具の湾曲度を測定して回転工具に対する調整量として使用することにより、可能な限り正確に研磨工具に適合した未加工物を生じさせ、したがって研磨工程を最小限に抑えている。この方法の欠点は、面倒な研磨工程が相変わらず採用されているばかりでなく、球面状の眼鏡レンズしか製造できず、せいぜいのところトラスト状に成形される眼鏡レンズしか製造できないことである。減摩レンズは複雑な非球面状の形状を有しており、このような方法では製造できない。
本発明の課題は、形状的に複雑に成形される光学的表面、特に眼用レンズ、およびこの眼用レンズを製造するための型枠をも、個別のデータ設定によりただ一回の工程で直接製造でき、その際光学的表面、特に眼用レンズおよびこの眼用レンズを製造するための型枠を製作するために後加工を必要とせず、或いは少なくともわずかな後加工しか必要としない方法を提供することである。
この課題は、本発明によれば、光学的表面または型枠の未加工物を、Z軸線方向に中心縦軸線を持つスピンドルの工作物収容部に保持させ、Z軸線方向に直交するX軸線方向において未加工物に対して相対運動を実施可能な回転工具により未加工物の表面を直接最終形状に加工し、その際回転工具はZ軸線方向に移動可能であり、スピンドルが回転している間に、回転工具をあらかじめ設定された表面データまたはオンラインで算出した表面データに応じて、未加工物の方向へ或いは未加工物から離れる方向へ増分的に位置調整すること、Z軸線方向において未加工物の前記表面とは反対側にある該未加工物の第2の表面に作用するように固有の駆動装置によりZ軸線方向に移動可能な第2の回転工具を用いて前記第2の表面を加工することによって未加工物の前記表面と前記第2の表面とを同時に加工するとともに、前記回転工具と第2の回転工具との間に動力学的平衡を実現させることによって解決される。
本発明によれば、周方向に発生し非球面の形状により生じる高さ変化をプラスチック未加工物から生じさせることができるほど迅速に工具スタイラスを走行させることができる。スタイラスは非常に小さな半径を有することができ、これにより係合はほぼ点状になる。しかしスタイラスの半径を数ミリメートルにしてもよい。スタイラスには単結晶ダイヤモンドを備えさせることができる。
生じた表面はすでに使用可能状態にあるが、場合によっては使用可能状態にするためにわずかな研磨後加工を施す必要がある。この場合形状は回転工程により完全に決定され、研磨により変化を受けない。
研磨の代わりに、表面をたとえば塗料(たとえばラッカー)に浸漬させることにより使用可能状態にさせてもよい。
本発明を用いると、眼用レンズのほかに、この眼用レンズを製造するための型枠を例えば金属またはセラミックスから製造することができる。この場合も研磨工程はわずかだけ必要とするに過ぎない。さらにたとえば複雑で非回転対称な形状を持った他のレンズまたはミラー等の光学的表面をも製造することができる。
本発明によれば、回転工具を未加工物に対して位置調整する際に生じる反力が第2の回転工具により動力学的平衡により補償されるので有利である。
具体的に述べれば、動力学的な平衡状態を得るためには、大きさが同じで運動方向が逆であるような第2の運動が実施されねばならない。この同一線上の運動を利用して、たとえばプラスチックレンズまたは第2の眼用レンズの前面と後面を同時に加工することができ、或いは眼用レンズを製造するための第2の型枠を加工することができる。光学的表面のデザインおよび使用される未加工物に応じては、前面と後面を同時に加工することにより、逆方向に高速で回転する二つの工具を平衡状態にもたらせば、回転工具の加速によって生じる反力を吸収するために十分である。このような平衡状態が完全に達成されなければ、場合によっては第3の同一線上の平衡状態が必要である。
レンズまたはミラーを取りつけるため、他方眼鏡レンズを眼鏡フレームに取り付けるため、迅速な方向付けを可能にするマークを表面につける必要がある。これらのマークは、従来では特殊なダイヤモンド工具を用いて、或いは高エネルギーレーザー光線を用いてつけねばならなかったが、本発明によれば点状に作動する工具を使用するので、加工工程中に加工と同時につけることができる。これにより、加工機を交換するたびに生じる再現性の問題はすべて解消される。さらに任意の符号を自在にプログラミング可能につけることができる。したがってどのようなレンズも個別に特徴付けることができる。
たとえば眼用レンズを製造するための型枠の製造も対応的な方法で行われる。型枠にも後でレンズを方向付けするためのすべてのマークおよび符号をつけることができる。
未加工物及び回転工具の位置決定と状態検知を行うため、線形運動及び回転運動を測定する適当な測定システムが必要である。本発明によれば、未加工物及び回転工具の位置を光電的に操作するのが有利である。
Z軸線方向における工具の運動位置は、少なくとも0.0005mmに正確に特定する必要がある。
少なくとも0.0005mmの解像度と必要な長さを持った測定システムは、たとえば光電的に操作されるスケールまたはレーザー干渉計として提供される。回転運動の位置決定のためには、光電的な回転検出発信器が適用している。同様にタコメータも瞬時の運動速度を決定するために適している。
さらにシステムを記述するすべての量はデジタル調整回路に送られ、調整は算出された光学的表面(特に眼用レンズまたは眼用レンズを製造するための型枠)の形状を考慮して行われる。システムの状態を記述するのは特に回転工具の位置及びスピンドルまたは未加工物の位置であり、これらは常時測定され、目標データと比較される。この比較から、回転工具を位置調整するための修正データが決定される。
この代わりに、通常のアナログ調整器を使用してもよい。
さらに本発明の有利な構成では、Z軸線方向での工具の運動は摩擦が生じないように支持される少なくとも一つのリニアモータにより実施される。
さらに本発明による有利な構成では、コイルと磁石の間隔及び支持遊びは熱的な作用により変化を蒙らない。
さらに本発明による有利な構成では、少なくとも一つのコイルまたは少なくとも一つのリニアモータを冷却するためペルチエ冷却が使用される。
同様に、本発明による有利な構成では、空冷または液冷においてペルチエ冷却が使用される。
本発明による方法に適した加工機の基本構造は、堅牢な機械ベッド上に、光学的表面または型枠の未加工物を保持することができるスピンドルが支持され、スピンドルの中心縦軸線方向であるZ軸線方向に移動可能な回転工具が設けられ、回転工具またはスピンドルが往復台上でスピンドルの中心縦軸線方向に対して直交するX軸線方向に移動可能であり、回転工具をZ軸線方向に駆動させるための駆動装置がリニア駆動装置であること、スピンドルが未加工物に対して同軸に支持され、Z軸線方向において未加工物の両側にそれぞれ前記リニア駆動装置と第2のリニア駆動装置とが同一線上に直列に配置され、第2のリニア駆動装置が、第2の回転工具と、この第2の回転工具の位置を特定するための測定システムとを有し、前記リニア駆動装置と第2のリニア駆動装置とは、前記回転工具と第2の回転工具との動力学的平衡状態のもとで未加工物の両面を同時に加工できるように制御されていること、未加工物をX軸線方向に移動させるための往復台がスピンドルの下方に支持され、該スピンドルを担持していることによって実現される。
動力学的な平衡状態を生じさせる第2のリニア駆動装置の運動は、光学的表面、特に眼用レンズ、及び(または)第2の光学的表面、特に第2の眼用レンズ或いはこの眼用レンズを製造するための第2の型枠を同じ光学的データに基づいて加工するために利用することができる。この場合スピンドルは、それぞれのリニア駆動装置において未加工物及び未加工物の両面に対して同軸に支持される。第2のリニア駆動装置は、付加的な回転工具と、この回転工具の位置を決定するための測定システムとを有し、未加工物をX軸線方向に移動させるための往復台はスピンドルの下方に支持され、これを担持する。両駆動装置の連結は機械ベッドの堅牢な基板を介して行われるが、力を対称的に吸収するケーシングケージによって行うのがより好ましい。
回転工具の増分的な位置調整は、リニアモータにより実現される。このために電子力学的、液圧的または空気圧的リニアモータを使用することができる。リニアモータは変位体と固定子から構成される。
動力学的な平衡状態のためには、同一に構成される第2のリニアモータが使用される。この第2のリニアモータは加工モータと同一線上に配置され、堅牢な摩擦結合部を介して加工モータのケーシングまたは固定子と機械的に連結される。両モータは逆方向に駆動される。液圧駆動または空気圧駆動の場合には、一つのシリンダ内で互いに逆方向に変位するピストンを介しても動力学的な平衡状態が形成される。
この代わりに、工具の高速駆動の動力学的な力を大きな質量体に吸収させてもよい(静力学的平衡)。このため工具高速駆動装置を、大きな質量体である加工機ベッド上に設置する。X軸線方向の往復台はスピンドルの下方に配置される。大きな質量体のサイズは、工具高速駆動装置の運動から生じる反応運動が数マイクロメートルよりもかなり小さいように選定する必要がある。
モータ変位体の支持は工具の支持でもある。支持体としてエアベアリング、補助的なマグネットベアリングを備えたエアベアリング、或いは液圧ベアリングを使用することができる。これらの支持体はZ軸線方向における摩擦のない運動を可能にし、加工過程から生じる横力を吸収する。
駆動力は単相リニアモータまたは多相リニアモータによって発生させるのが有利である。この種のリニアモータは移動コイル或いは移動磁石により構成することができる。この第2実施形態の利点は、コイルに生じた出力ロスをより簡単に逃がすことができる点である。
この種の工具駆動装置の利点は、特に、加工機の構成要素であるベアリング及びリニアモータによりZ軸線方向のストロークが制限を受けないことである。数十ミリメートルのZ軸線方向のストロークが実現され、この場合モータ特性は調整範囲全体にわたって一定である。このことは特にモータの調整に対し利点がある。
熱い側で直接水冷を行うか、或いは有利にはペルチエ冷却を行って次に水冷を行ってもよい。ペルチエ冷却によりコイルの温度を一定の温度値、たとえば0.1Kに調節することができるので、負荷温度が異なっていてもエアギャップを小さく且つ一定に保持させることができる。
さらに本発明によれば、更なる動力学的平衡状態を生じさせるため、両リニア駆動装置に対して同一線上に第3のリニア駆動装置が配置される。この第3のリニア駆動装置のケーシングまたは固定子は、第3のリニア駆動装置の運動が第1および第2のリニア駆動装置の運動から生じる反力を吸収するように、機械ベッドを介して第1および第2のリニア駆動装置のケーシングまたは固定子と機械的に連結されている。
この変形実施形態の利点は、工具の位置調整によって生じる反力を吸収するという以外に、さらに工作物に作用する加工力も十分対称化されるという点にある。
次に、本発明を実施形態に関しより詳細に説明する。
図1は線形運動軸線を備えた加工機の原理構成図である。
図2は加工機の第2例を示す斜視図である。
図3は回転工具に適した電気力学的リニア駆動装置の原理構成図である。
図4は動力学的平衡状態を生じさせる回転工具用リニア駆動装置を示す図である。
図5は液圧または空気圧式リニアモータを備えた回転工具用リニア駆動装置の原理構成図である。
図6は回動軸線を備えた加工機の原理構成図である。
図7は未加工物を二つの異なる位置へ回転させるための原理を説明する図である。
図8は工作物を二つの異なる位置へ位置調整するための原理を説明する図である。
図9はたとえば回転工具を二つのオフアキシス位置へ回転する際の、回転工具のX軸線方向における動力学的位置調整を説明する図である。
図10は眼用レンズの前面と後面を同時に加工する本発明による加工機を示す図である。
図11は調整器のブロック構成図である。
まず、図10の本発明による加工機を説明する前に、図1ないし図9を用いて本発明による加工機の基礎となる技術或いは関連技術について説明する。
図1は、線形運動軸線を備えた加工機を示している。加工機は機械ベッド1上に設置されている。スピンドル2は、Z軸線方向に移動可能な往復台3で支持されている。スピンドル2は、図示していない未加工物を工作物収容部4に収容している。往復台3は予調整のために適当な位置へもたらされ、加工の間締め付け固定される。
X軸線方向に移動可能な他の往復台5上には、工具駆動装置6が設けられている。工具駆動装置6はリニアモータとして実施されている。工具駆動装置6の変位体7は回転工具8を担持している。
図2は加工機の第2例を示すもので、X軸線方向に移動可能な往復台5上には工具駆動装置6ではなくスピンドル2が支持されている。
図3は電気力学的リニアモータとしての工具駆動装置の一例を示している。このリニアモータは、永久磁石9を備えた変位体7と、固定子コイルシステム10とを有している。変位体7を摩擦が生じないように運動させるため、変位体7は水平方向及び鉛直方向においてエアベアリング11で支持されている。変位体7は位置を決定するため測定システム12を担持している。
図4は、システムを力学的に平衡にさせるための一例を示している。このため、工具駆動装置6と同一線上にリニア駆動装置13が設けられている。リニア駆動装置13は、位置調整運動が高速である場合に生じる反力を補償するためだけに用いる。両リニア駆動装置の固定子は機械ベッド1により互いに摩擦によって連結されている。両リニア駆動装置は加工の際逆方向へ同時に制御される。
システムを力学的に平衡状態にさせることにより、回転工具8の高速運動により生じる反力が補償され、各回転工具8の不慮の運動が回避される。これにより、加工された眼鏡レンズの表面品質を向上させることができ、眼鏡レンズの形状の光学的精度を向上させることができる。
以上説明した加工装置に対応し、液圧または空気圧により作動する駆動装置を備えた加工装置を図5に示す。この場合変位体は、互いに逆方向へ変位するピストン14として実施されている。
上記の構成の代わりに、大きな質量体に力を逃がすことにより平衡状態を作り出してもよい。このため図2に図示したように、機械ベッド1を大きな質量体として実施する。この場合の質量体のサイズは、その運動が0.005mm以下の振幅を有するように選定される。
図6に示した加工機の構成では、未加工物はX軸線方向へ往復運動する代わりに回動運動を実施する。このためスピンドル2は回転テーブル15で支持されている。回動中心点16はZ軸線上にある。回動運動は適宜な半径rで行わねばならない。半径rは、回動運動に重畳されるZ軸線方向における回転工具8の付加的な運動が最小になるように選定することができる。
図7は中心の特異点の制御態様を示している。未加工物は、互いにわずかにずれている二つの偏心位置において回転し、その際スピンドル軸線に至るまでは回転しない。図においては偏心位置を誇張して示した。図7において途切れている線は実施されず、加工されなかった領域は他方の位置によりカバーされる。
この目的のため、スピンドル2の工作物収容部4はわずかに回動できるように実施される。図8に示すように、切換え可能な電磁石17によって生じる磁力により工作物収容部4を回転点18のまわりに回動させることによって、工作物収容部4を上方及び下方の二つの異なる位置へ移動させることができる。
この場合、未加工物のエッジの回転運動が空転にならないようにするため、図9に示すようにX軸線方向での位置調整運動を変化させる。
図10は本発明による加工機の実施形態を示すもので、この実施形態では本発明による力学的平衡を利用して、未加工物の第2の面も同時に加工される。この場合スピンドル2は往復台5上に支持されている。工作物収容部4は、未加工物の両面を加工できるように構成されている。スピンドル2の両側には、すなわちZ軸線方向において未加工物の両側には、それぞれ工具駆動装置としてのリニア駆動装置6と第2のリニア駆動装置13とが同一線上に直列に配置されている。第2のリニア駆動装置13は、第2の回転工具と、この第2の回転工具の位置を特定するための測定システムとを有している。リニア駆動装置6と第2のリニア駆動装置13とは、回転工具8と第2の回転工具との動力学的平衡状態のもとで未加工物の両面を同時に加工できるように制御されている。したがって、未加工物を一回の工程で製造できる。
図11は、スピンドル2及び回転工具8の運動を制御、調整するための調整回路のブロック図である。調整回路は、制御対象に対して最適に適合するデジタル調整器、例えば信号プロセッサを有している。構造とパラメータの最適化は、工作物の幾何学的形状の関数として行うことができる。システムのすべての状態を記述する量(機械的システム、タコメータ、距離測定システム)は、デジタル調整器に送られる。X軸線方向への緩速な運動も同様にデジタル調整器により操作することができる。この調整経路は図11に記載されていない。モータ用の出力増幅器は目標値を考慮して制御される。出力増幅器に必要なダイナミックスは例えば100dBである。微細な構造を修正するためには、適当な帯域幅を設定する必要がある。運動に必要な目標値データは加工前に生成させてメモリに記憶させておくことができる。しかし目標値データを、面を記述する関数Z(r,phi)によりオンラインで算出するのが有利である。
本明細書で述べた眼用レンズとは眼鏡レンズ、コンタクトレンズ、および眼内レンズである。また光学的表面とはレンズ、ミラー、或いは電磁波の伝送または反射の際にその特徴を示す(特に赤外線領域、可視光領域、及び紫外線領域において)他の光学要素の光学的に有効な表面のことである。
Claims (26)
- 光学的表面または光学的表面を製造するための型枠の加工方法において、光学的表面または型枠の未加工物を、Z軸線方向に中心縦軸線を持つスピンドルの工作物収容部に保持させ、Z軸線方向に直交するX軸線方向において未加工物に対して相対運動を実施可能な回転工具により未加工物の表面を直接最終形状に加工し、その際回転工具はZ軸線方向に移動可能であり、スピンドルが回転している間に、回転工具をあらかじめ設定された表面データまたはオンラインで算出した表面データに応じて、未加工物の方向へ或いは未加工物から離れる方向へ増分的に位置調整すること、Z軸線方向において未加工物の前記表面とは反対側にある該未加工物の第2の表面に作用するように固有の駆動装置によりZ軸線方向に移動可能な第2の回転工具を用いて前記第2の表面を加工することによって未加工物の前記表面と前記第2の表面とを同時に加工するとともに、前記回転工具と第2の回転工具との間に動力学的平衡を実現させることを特徴とする製造方法。
- 回転工具による回転の際に光学的表面にマーキングを施すことを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
- 回転工具と未加工物の位置を電子光学的に走査することを特徴とする、請求項1または2に記載の製造方法。
- Z軸線方向における工具の運動を、摩擦が生じないように支持された少なくとも一つのリニアモータにより実施することを特徴とする、請求項1から3までのいずれか一つに記載の製造方法。
- リニアモータのコイルと磁石の間隔および支持遊びを熱的な作用により変化させないことを特徴とする、請求項4に記載の製造方法。
- Z軸線方向における工具の運動位置を少なくとも0.0005mmに正確に特定することを特徴とする、請求項1から5までのいずれか一つに記載の製造方法。
- リニアモータの少なくとも一つのコイルまたは少なくとも一つのリニアモータを冷却するためペルチエ冷却を適用することを特徴とする、請求項4または5に記載の製造方法。
- リニアモータの少なくとも一つのコイルまたは少なくとも一つのリニアモータをペルチエ冷却器を使用して空冷または液冷することを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。
- 光学的表面または光学的表面を製造するための型枠のための加工機において、堅牢な機械ベッド(1)上に、光学的表面または型枠の未加工物を保持することができるスピンドル(2)が支持され、スピンドル(2)の中心縦軸線方向であるZ軸線方向に移動可能な回転工具(8)が設けられ、回転工具(8)またはスピンドル(2)が往復台(5)上でスピンドル(2)の中心縦軸線方向に対して直交するX軸線方向に移動可能であり、回転工具(8)をZ軸線方向に駆動させるための駆動装置(6)がリニア駆動装置であること、スピンドル(2)が未加工物に対して同軸に支持され、Z軸線方向において未加工物の両側にそれぞれ前記リニア駆動装置(6)と第2のリニア駆動装置(13)とが同一線上に直列に配置され、第2のリニア駆動装置(13)が、第2の回転工具と、この第2の回転工具の位置を特定するための測定システムとを有し、前記リニア駆動装置(6)と第2のリニア駆動装置(13)とは、前記回転工具(8)と第2の回転工具との動力学的平衡状態のもとで未加工物の両面を同時に加工できるように制御されていること、未加工物をX軸線方向に移動させるための往復台(5)がスピンドル(2)の下方に支持され、該スピンドル(2)を担持していることを特徴とする加工機。
- リニア駆動装置(6)を加速させることにより生じる反力が第2のリニア駆動装置(13)により動力学的に補償され、第2のリニア駆動装置(13)は、第1のリニア駆動装置(6)に対して同一線上に配置されて、そのケーシングまたは固定子が機械ベッド(1)を介して第1のリニア駆動装置(6)のケーシングまたは固定子と機械的に連結されていることを特徴とする、請求項9に記載の加工機。
- リニア駆動装置(6)の加速により生じる反力が、質量体としての機械ベッド(1)に吸収させることにより動力学的に補償されていることを特徴とする、請求項9に記載の加工機。
- リニア駆動装置(6,13)が液圧原動機であることを特徴とする、請求項9から11までのいずれか一つに記載の加工機。
- リニア駆動装置(6,13)が空気圧原動機であることを特徴とする、請求項9から11までのいずれか一つに記載の加工機。
- リニア駆動装置(6,13)が電気力学的原動機であることを特徴とする、請求項9から11までのいずれか一つに記載の加工機。
- リニアモータの変位体が空気で支持されていることを特徴とする、請求項9から14までのいずれか一つに記載の加工機。
- リニアモータの変位体が空気および補助的な磁気軸受で支持されていることを特徴とする、請求項項9から14までのいずれか一つに記載の加工機。
- リニアモータの変位体が液圧で支持されていることを特徴とする、請求項項9から14までのいずれか一つに記載の加工機。
- リニアモータのコイルが水冷部を備えていることを特徴とする、請求項項9から14までのいずれか一つに記載の加工機。
- リニアモータのコイルが、ペルチエ冷却部と水冷部とをペルチエ要素の熱い側に備えていることを特徴とする、請求項項9から14までのいずれか一つに記載の加工機。
- 回転工具(8)を線形移動させるための測定システムとして、光電的に走査されるスケールを使用することを特徴とする、請求項項9から19までのいずれか一つに記載の加工機。
- 回転工具(8)を線形移動させるための測定システムとして、レーザー干渉計を使用することを特徴とする、請求項9から19までのいずれか一つに記載の加工機。
- 未加工物の回転運動のための測定システムとして、光電的回転検出発信器を使用することを特徴とする、請求19から21までのいずれか一つに記載の加工機。
- 未加工物の回転運動のための測定システムとして、タコメータを使用することを特徴とする、請求項9から21までのいずれか一つに記載の加工機。
- スピンドル(2)がその中心縦軸線に対して垂直な半径方向の二つの位置のそれぞれへ変位装置によりわずかに変位可能に保持されていることを特徴とする、請求項9から23までのいずれか一つに記載の加工機。
- 変位装置が、スピンドル(2)の中心縦軸線に関し対称に配置された二つのソレノイド(17)を備えていることを特徴とする、請求項24に記載の加工機。
- Z軸線方向において両リニア駆動装置(6,13)に対して同一線上に直列に第3のリニア駆動装置が配置され、該第3のリニア駆動装置のケーシングまたは固定子は、第3のリニア駆動装置の運動が第1および第2のリニア駆動装置の運動から生じる反力を吸収するように、機械ベッド(1)を介して第1および第2のリニア駆動装置(6,13)のケーシングまたは固定子と機械的に連結されていることを特徴とする、請求項項9から25までのいずれか一つに記載の加工機。
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