JP4572187B6 - 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 - Google Patents

Description

本発明は、光学的表面（特に非球面プラスチックレンズのような眼用レンズ）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関するものである。

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加工機を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するため、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、Ｚ軸線方向にそれぞれ前記リニア駆動装置と該リニア駆動装置とは逆の方向に制御される第２のリニア駆動装置とが同一線上に互いに直列に配置され、第２のリニア駆動装置のケーシングまたは固定子が機械ベッドを介して第１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おり、第１のリニア駆動装置の加速により生じる反力が第２のリニア駆動装置により動力学的に補償されていることを特徴とするものである。

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、調整の際に生じる反力を、静力学的または動力学的平衡により補償するのが有利である。

レンズまたはミラーを取りつけるため、一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。

本発明によれば、回転工具がスピンドルに対して相対的に回転運動を実施するのが有利である。この場合回転の際に未加工物を、Ｚ軸線上にある中心点の周りに付加的に回動させることができる。この代わりに回転工具を回転の際に、Ｚ軸線上にある中心点のまわりに回動させるようにしてもよい。

レンズの材料（レンズまたはミラーのガラスまたはプラスチック）をたわませるために工具を高速に運動させる必要がないので、この高速な運動の代わりに緩速なＺ軸線方向の運動または高速なＺ軸線方向の駆動に重畳させた回動運動を行ってもよい。この場合高速のＺ軸線方向の運動は、たとえば減摩レンズを製造するためには約１ｍｍのストロークを持つ必要がある。この構成には、成形に必要な回転工具の領域が小さくなるという利点がある。回転工具を不均一に使用すると、その作用は小さくなる。

各回転過程の問題は、工作物の中心にある特異点である。したがって、未加工物を、回転中心からわずかに偏倚した二つのオフアキシス位置で回転させるのが有利である。

この場合、それぞれの回転中心がそれぞれ他の位置での工程によって到達されるように未加工物を加工する。

運動の半径が大きすぎると、回転運動がエッジにおいて空転することがある。これを避けるため、本発明によれば、Ｘ軸線方向において軌道間隔を変化させる。このためには、この送り駆動のためにも、適当な動力学が必要であるが、この動力学はたとえば調和振動を設定することにより達成できる。このためにも動力学的平衡状態が有利である。

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。

このような作業態様により、未加工物の前面と後面をほぼ対称に加工することができる。両面に所望の光学的作用が均等に配分される。これは、精密光学の分野では通例である、両面の光学的作用が同じあるという観点に相当し、従来の眼用レンズは後面が球面状にまたは円環体状に構成されていたので、全く新規な可能性を提供するものである。

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。

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。

すでに示唆したように、工具をＸ軸線方向に運動させる代わりに回動運動を実施させてもよい。この回動運動にはＺ軸線方向の駆動が重畳される。この場合の回動軸線はスピンドルの下方または工具駆動装置の下方で支持される。

この実施態様の代わりに、この構成においても工具高速駆動装置の動力学的な力を機械ベッド等の大きな質量体に逃がすようにしてもよい。このためにはまず回転テーブルの半径を工具に対して適合させ、次にスピンドルを回転テーブル上に同一の半径で設置する必要がある。

同様に示唆したように、未加工物を二つのオフアキシス位置で加工することができるように、スピンドルを半径方向に変位可能に配置することができる。たとえば、工具保持体を磁力で連続的に付勢して二つの切換え可能な位置へもたらすようにしてよい。この場合線形運動の代わりに、長い回動半径を持つ回転運動でもよい。オフアキシス変位は非常にわずかなものであるので、Ｚ軸線方向での付加的なストロークは取るに足りない大きさである。

動力学的な平衡状態を生じさせる第２のリニアモータの運動は、光学的表面、特に眼用レンズの表面、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。

さらに本発明によれば、この場合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、機械ベッドを介して他の二つのリニア駆動装置のケーシングまたは固定子と連結されており、第１及び第２のリニアモータの運動から生じる力の方向とは逆の方向に制御される。

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、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明による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は加工機の変形実施形態を示すもので、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実施形態を示している。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。

この実施形態の代わりに、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は加工機の変形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、互いに逆方向に作動する工具駆動装置６，１３が設けられている。したがって、眼鏡レンズの両面に所望の光学的作用を均等に配分させることができる。

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，φ）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。

本発明による線形運動軸線を備えた加工機の原理構成図である。 加工機の第２実施形態を示す斜視図である。 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。 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。 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。 回動軸線を備えた加工機の原理構成図である。 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。 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。 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。 眼用レンズの前面と後面を同時に加工する加工機の他の実施態様を示す図である。 調整器のブロック構成図である。

符号の説明

１ 機械ベッド
２ スピンドル
５ 往復台
６ リニアモータ（リニア駆動装置）
８ 回転工具
１３ 第２のリニアモータ（第２のリニア駆動装置）
１７ ソレノイド

Claims (3)

1. 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、
   Ｚ軸線方向にそれぞれ前記リニア駆動装置（６）と該リニア駆動装置（６）とは逆の方向に制御される第２のリニア駆動装置（１３）とが同一線上に互いに直列に配置され、第２のリニア駆動装置（１３）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おり、第１のリニア駆動装置（６）の加速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ていることを特徴とする加工機。
2. 第１のリニア駆動装置（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１に記載の加工機。
3. 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が機械ベッド（１）を介して両リニア駆動装置（６，１３）のケーシングまたは固定子と機械的に連結されており、且つ第１および第２のリニア駆動装置の運動から生じる力の作用方向とは逆の方向に制御されていることにより、付加的な動力学的平衡状態が実現されていることを特徴とする、請求項項１または２に記載の加工機。

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