JP5453459B2 - 皿形砥石を用いたレンズ球面の研削加工方法 - Google Patents

Description

本発明は球芯式レンズ研削加工装置を用いた球面レンズの研削加工方法に関する。更に詳しくは、粗研削工程と精研削工程を一元化し、精研削用の皿形砥石のみを用いてレンズ素材の粗研削および精研削を連続して行うことのできるレンズ球面の研削加工方法に関する。

球面レンズの研削加工においては、プレス成形品からなるレンズ素材、あるいは、丸棒状のレンズ素材をカットすることにより得られた円柱状のレンズ素材に対して粗研削を施して（粗研削工程）、大凡の球状レンズ面を備えた粗研削レンズを得るようにしている。次に、粗研削レンズの球状レンズ面に精研削を施して（精研削工程）、所定の形状精度の球状レンズ面を備えた精研削レンズを得るようにしている。研削加工によって得られた球状レンズ面には研磨加工が施されて、目標とする最終形状精度のレンズ球面を備えたレンズが得られる。

このように、従来における球面レンズの研削加工は粗研削工程と精研削工程を含んでいる。粗研削工程ではカップ型砥石を用いた研削盤により粗研削加工が行われ、精研削工程では皿形砥石を用いた研削装置により精研削加工が行われる。このような球面レンズの研削加工方法は特許文献１、２、３に開示されている。特許文献１、２には、同一の研削装置においてカップ型砥石と皿形砥石を交換することにより、別個の装置を用いることなく、粗研削および精研削を行うようにしている。特許文献３には、粗研削に用いたカップ型砥石を用いて精研削を行う方法が開示されている。

特開２００６−２９７５２０号公報 特開２００９−６６７２４号公報 特開２００９−９０４１４号公報

粗研削工程と精研削工程からなる球面レンズの研削加工方法においては次のような解決すべき課題がある。まず、粗研削の加工精度の維持が困難な為、精研削工程において、レンズ素材の形状ばらつきに起因して皿形砥石の摩耗が激しく、精研削の精度を維持することが困難な場合がある。また、粗研削と精研削ではそれぞれ異なる加工技術が必要であり、それぞれの加工技術に熟練した技術者が必要とされている。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、粗研削工程と精研削工程を一元化し、精研削に用いる皿形工具のみを用いてレンズ素材の表面に研削加工を施して、研磨工程に移すことのできる精研削状態のレンズ球面を得ることのできる球面レンズの研削加工方法を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、
ダイヤモンド砥粒を備えた球状砥石面を有する皿形砥石を、研削対象のレンズ素材の被研削面に所定の加工圧力で押しつけ、この状態で、前記皿形砥石を所定の回転数で回転させると共に揺動させながら前記被研削面を球面に研削する皿形砥石を用いたレンズ球面の研削加工方法であって、
前記加工圧力が第１加工圧力、前記回転数が第１回転数で研削を行う初期研削工程と、
前記加工圧力が第２加工圧力、前記回転数が第２回転数で研削を行う中期研削工程と、
前記加工圧力が第３加工圧力、前記回転数が第３回転数で研削を行う後期研削工程とを有し、
前記第２加工圧力は前記球状砥石面が前記レンズ素材に食い込み可能な圧力であり、前記レンズ素材の硬さ、および、前記レンズ素材の前記被研削面と前記皿形砥石の前記球状砥石面との接触面積から、前記皿形砥石の食い込み量を求め、当該食い込み量に基づき前記第２加工圧力を算出し、
前記第２回転数を、前記加工圧力を前記第２加工圧力に設定した場合において前記皿形砥石の前記ダイヤモンド砥粒が前記レンズ素材に食い込み可能な回転数に設定し、
前記第１加工圧力を前記第２加工圧力よりも低い値に設定し、前記第１回転数を前記第２回転数よりも低い値に設定し、
前記第３加工圧力を前記第１加工圧力よりも低い値に設定し、前記第３回転数を前記第２回転数よりも低く前記第１回転数よりも高い値に設定することを特徴としている。

上記の「レンズ素材に食い込み可能な回転数」とは、前記加工圧力を前記第２加工圧力に設定して皿形砥石の回転数を変化させた場合に、加工時間の変化がほぼ無くなる最大回転数以下の回転数を意味している。すなわち、この最大回転数よりも高い回転数では、加工時間が短縮されなくなり、皿形砥石の球状砥石面とレンズ素材の被研削面の間に滑りが発生し、砥粒がレンズ素材の表面に食い込めない状況になる。

ここで、前記初期研削工程は、前記レンズ素材の前記被研削面が前記球状砥石面に全体として接触した状態が形成されるまで行い、前記中期研削工程は、前記レンズ素材の中心肉厚が目標値よりも予め設定した寸法だけ厚い状態が形成されるまで行うようにすればよい。

また、少なくとも前記中期研削工程においては、前記レンズ素材の前記被研削面が前記皿形砥石の前記球状砥石面を摺動する領域を定期的に変化させることが望ましい。

本発明において、前記レンズ素材の硬さがヌープ硬度６３０の場合には、前記第２加工圧力を１０ｋｇ／平方ｃｍ、前記第２回転数を１５００ｒｐｍとし、前記第１加工圧力を２ｋｇ／平方ｃｍ、前記第１回転数を４００〜６００ｒｐｍとし、前記第３加工圧力を１．５ｋｇ／平方ｃｍ、前記第３回転数を１０００ｒｐｍに設定することができる。

次に、本発明の球芯式レンズ研削加工装置は、
前記レンズ素材を保持するレンズ保持具と、
前記レンズ保持具に保持された前記レンズ素材の前記被研削面が押し付けられる球状砥石面を備えた皿形砥石と、
前記球状砥石面に前記レンズ素材を押し付けるための加工圧力として、第１加工圧力、第２加工圧力および第３加工圧力を選択的に加えることのできる加圧機構と、
前記皿形砥石を回転させる回転機構と、
前記皿形砥石を揺動させる揺動機構と、
前記加圧機構、前記回転機構および前記揺動機構の駆動を制御して、上記の研削加工方法を実行させるコントローラとを有していることを特徴としている。

本発明によれば、レンズの精研削加工の技術のみで加工することで、加工技術の簡略化、設備の一元化、管理の一元化を図ることができ、これにより、レンズ球面の研削加工の精度、品質を向上させることができる。

本発明の方法によりレンズ球面の研削加工を行う球芯式レンズ研削加工装置の機構図である。 図１の装置の研削動作を示す概略フローチャートである。 レンズ研削加工における加工圧力と加工時間の関係を示すグラフである。 レンズ研削加工における研削工具の回転数と加工時間の関係を示すグラフである。

以下に、図面を参照して本発明を適用したレンズ球面の研削加工方法の実施の形態を説明する。

（球芯式レンズ研削加工装置）
図１は、本発明の方法により球面レンズの研削加工を行う球芯式レンズ研削加工装置の一例を示す機構図である。球芯式レンズ研削加工装置１は上ユニット２および下ユニット３を備えている。上ユニット２は下向き状態のレンズ保持具４を備えており、レンズ保持具４はレンズ加圧軸５の下端に取り付けられており、加圧シリンダ６によって下向きにユニット中心軸線２ａの方向に加圧可能となっている。レンズ保持具４の下向きのレンズ保持面４ａにはユニット中心軸線２ａの回りに回転可能な状態で加工対象のレンズ素材７を保持可能である。また、上ユニット２は下ユニット３に対して接近および離れる方向に相対的に移動可能となっている。

下ユニット３は上向き状態の皿形砥石８を備えており、この皿形砥石８はダイヤモンド砥粒を備えた凹状の球状砥石面８ａを有しており、この球状砥石面８ａに、上ユニット２の側に保持されるレンズ素材７の被研削面７ａが押し付けられる。皿型砥石８は同軸状態にスピンドル軸９の上端に固定されており、スピンドル軸９はスピンドルモーター１０によってその中心軸線９ａの回りに回転駆動される。また、皿形砥石８およびその回転機構（スピンドル軸９、スピンドルモーター１０）は揺動機構１１によって支持されており、揺動機構１１は、皿形砥石８を、その球状砥石面８ａが中心軸線２ａ上に位置する揺動中心Ｏを中心として、設定した揺動角度θで、設定した加工半径Ｒで、設定した揺動方向に揺動させることが可能となっている。

ここで、加圧シリンダ６による加圧力は、第１レギュレータ１２、第２レギュレータ１３および第３レギュレータ１４によって三段階に切替可能となっている。これらの第１〜第３レギュレータ１２、１３、１４によって圧力が設定される作動流体は、それぞれ、オンオフ切替可能な第１〜第３切替弁１５、１６、１７を介して加圧シリンダ６に供給されるようになっている。この構成の加圧機構（レンズ加圧軸５、加圧シリンダ６、第１〜第３レギュレータ１２〜１４、第１〜第３切替弁１５〜１７）による加圧力の切替制御は、第１〜第３切替弁１５〜１７を切り替えることによって行うことができる。

次に、コントローラ１８は各部の駆動制御を行うものであり、加圧機構の第１〜第３切替弁１５〜１７の切替制御はコントローラ１８によって行われる。また、コントローラ１８は、測長器１９による測定結果に基づき、レンズ素材７の研削加工量を監視しており、この研削加工量に応じて切替弁１５〜１７の切替制御を行い、レンズ素材７の被研削面７ａを皿形砥石８の球状砥石面８ａに押し付けるための加工圧力を切り替える。さらに、コントローラ１８はインバータ２０を介してスピンドルモーター１０を駆動制御して、皿形砥石８の回転数を制御する。さらには、コントローラ１８はドライバ２１を介して揺動機構１１を駆動制御して、皿形砥石８の揺動方向、揺動角度θの切替制御、その揺動位置の変更などを行う。

（研削加工動作の例）
図２は球芯式レンズ研削加工装置１による球面レンズの研削加工動作を示す概略フローチャートである。図１、図２を参照して説明すると、まず、レンズ素材７をレンズ保持具４のレンズ保持面４ａに取り付け、レンズ素材７の被研削面７ａを皿形砥石８の球状砥石面８ａに押し当てた状態を形成する（レンズ素材供給工程ＳＴ１）。

この状態で皿形砥石８の回転、揺動を開始して、レンズ素材７の被研削面７ａの研削加工を開始する。研削加工の開始時点から所定時間が経過するまでの初期研削工程ＳＴ２では、第１レギュレータ１２に設定された加工圧力でレンズ素材７を皿形砥石８に押し付けた状態で研削加工を行う。加工圧力は、レンズ素材７が皿形砥石８に接触している面積が小さいので、レンズ素材７がレンズ保持具４および皿形砥石８の間から脱落しない最小限のものに留めることが望ましく、次工程である中期研削工程における加工圧力よりも小さい。また、初期研削工程における皿形砥石８の回転数は低い回転数であることが望ましいが、加工時間との兼ね合いから、４００〜６００ｒｐｍであることが望ましい。この回転数も、次工程の中期研削工程における回転数よりも小さい。

初期研削工程ＳＴ２において、レンズ素材７の被研削面７ａの研削が進み、当該被研削面７ａがほぼ皿形砥石８の球状砥石面８ａに接触した状態が形成されると、加工圧力を第２レギュレータ１３に設定された加工圧力に切り替える。これにより、研削加工が中期研削工程Ｓ３に移行する。

中期研削工程ＳＴ３における加工圧力は皿形砥石８の砥粒（ダイヤモンドバイト）がレンズ素材７に食い込み可能な圧力とする。加工圧力はレンズ素材７に食い込み可能な圧力の最小値あるいはその近傍の値に設定することが望ましい。球面レンズ研削において通常求められる表面粗さは４μｍ程度である。したがって、レンズ素材７に加える加工圧力は、当該レンズ素材７の硬さ、および、レンズ素材の被研削面７ａと皿形砥石８の球状砥石面８ａの接触面積から、皿形砥石８の食い込み量を求め、これに基づき、中期研削工程における加工圧力を算出することができる。

また、中期研削工程における皿形砥石８の回転数は、皿形砥石８の砥粒（ダイヤモンドバイト）がレンズ素材７に食い込み可能な回転数に設定する。レンズ素材７に食い込み可能な回転数とは、上記のように設定した加工圧力において、皿形砥石の回転数を変化させた場合に、加工時間の変化がほぼ無くなる最大回転数以下の回転数を意味している。すなわち、この最大回転数よりも高い回転数では、加工時間が短縮されなくなり、皿形砥石の球状砥石面とレンズ素材の被研削面の間に滑りが発生し、砥粒がレンズ素材の表面に食い込めない状況になる。回転数は、レンズ素材７に食い込み可能な回転数の最大値あるいはその近傍の値に設定することが望ましい。

中期研削工程における研削が進み、レンズ素材７の中心肉厚が目標肉厚の手前の値になった段階で、加工圧力を第３レギュレータ１４に設定された加工圧力に切り替える。これにより研削加工が後期研削工程ＳＴ４に移行する。

後期研削工程では、研削加工の進行速度を遅くして（皿形砥石８の回転数を小さくして）、レンズ素材７の中心肉厚にばらつきが生じない状態で、被研削面７ａの表面粗さを目標とする表面粗さになるように研削する。後期研削工程では、その加工圧力が初期研削工程における加工圧力よりも更に低い圧力に設定され、その皿形砥石８の回転数が中期研削工程における回転数よりも低く、初期研削工程における回転数よりも高い値に設定される。

ここで、皿形砥石を用いた球面研削は複数の刃先を持つダイヤモンドバイトによる切削加工である。したがって、研削加工条件としての加工圧力および皿形砥石の回転数はレンズ素材の硬さに応じて設定することができる。すなわち、加工圧力はレンズ素材の硬さに比例させ、回転速度はそれに反比例させるようにすればよい。レンズ素材の硬さデータは素材カタログ等で簡単に入手できるので、これに基づき、最適な加工圧力、回転数を求めることができる。

次に、レンズ素材７の被研削面７ａを研削する皿形砥石８の球状砥石面８ａの部分が常に同一であると、砥石面に偏摩耗が生じ研削形状が変化してしまう。したがって、定期的に、レンズ素材７の被研削面７ａが当たる球状砥石面８ａの位置（球状砥石面８ａ上における被研削面７ａの摺動領域）を変化させ、球状砥石面８ａの偏摩耗を防止して、その全体が均一に摩耗するようにして、研削精度を一定に保持することが望ましい。少なくとも中期研削工程においては変化させることが望ましい。

以上説明したように、本実施の形態においては、球面研削において、加工初期の加工圧力を低圧、回転数を低速とすることで、加工対象のレンズ素材のカケ、割れを防止することができる。加工中期においては、加工初期に比べて加工圧力を高圧、回転数を高速に切り替えることにより、加工時間を短縮できる。加工終期においては、加工初期に比べて加工圧力を低圧にし、回転数を加工初期よりも速く、加工中期よりも遅い中程度の速度となるようにすることにより、レンズ素材の中心肉厚の精度を確保できる。このように、研削の進行に合わせて研削条件を多段階に変化させることにより、皿形砥石のみを用いて、レンズ素材に高精度の精研削面を形成することができる。

（実験例）
本発明者等は、本発明の研削方法を用いて次のように加工を行った。
本実施例の加工データは次の通りである。
レンズ素材の材質 ＴＡＦＤ２５
レンズ素材の摩耗度 ９０
レンズ素材のヌープ硬さ ６３０
加工球面半径Ｒ １０８ｍｍ
レンズ外径 ３７．５ｍｍ
皿形砥石 ダイヤモンドペレット ＳＰ６０Ｂ ＃８００

まず、加工圧力を決定するための試験を行った。試験条件は次の通りであり、試験結果を図３の表およびグラフに示してある。

球芯式レンズ研削加工装置 ＮＣ研磨機 ＰＭ５０型
（製造元：有限会社コジマエンジニアリング）
皿形砥石の回転数 １０００ｒｐｍ
皿形砥石のレンズ接触面積 ４．５２平方ｃｍ
加工量 ０．１ｍｍ

この試験結果から、加工圧力が１０ｋｇ／平方ｃｍ以上では、レンズ素材の摩耗量がほとんど変化しないことから、この圧力が研削加工効率の最大の点であることが分かる。

次に、同一の球芯式レンズ研削加工装置を用いて、皿形砥石の回転数を決定するための試験を行い、加工圧力１（１５ｋｇ／平方ｃｍ）および加工圧力２（１０ｋｇ／平方ｃｍ）の場合において、回転数を変化させた場合の加工時間を調べた。試験条件は加工圧力以外は上記の場合と同一である。試験結果を図４のグラフに示してある。

この試験結果から、回転数が１５００ｒｐｍ付近より摩耗量が殆ど変化しないことから、この点が加工効率最大の点であることが分かる。すなわち、加工圧力を一定とて、回転数を上げた場合に加工時間の変化が殆ど無くなる回転数が「食い込み可能な回転数」の最大値であり、これよりも回転数を上げると、レンズ素材と皿形砥石に滑りが発生し、皿形砥石の砥粒がレンズ素材の表面に食い込めない状況になる。この「食い込み可能な回転数」の最大値が加工効率最大の点である。この最大値は、レンズ素材の硬度、皿形砥石の砥粒の粒度、切削液の性能などによって変動するので、試験を行うことにより設定すればよい。

これらの試験結果に基づけば、中期研削工程ＳＴ３における加工条件としては、加工圧力が１０ｋｇ／平方ｃｍ、皿形砥石の回転数が１５００ｒｐｍが最適であることが分かる。これを基準として、初期研削工程ＳＴ２および後期研削工程ＳＴ４における加工条件をそれぞれ設定する。

本発明者等の実験では、初期研削工程においては、加工圧力を２ｋｇ／平方ｃｍ、回転数を５００ｒｐｍとし、１０秒間の研削加工を行った。次に、中期研削工程に移行して、加工圧力を１０ｋｇ／平方ｃｍとし、回転数を１５００ｒｐｍとして、レンズ素材が目標厚さの０．１ｍｍ手前の厚さとなるまで研削加工を行った、次に、後期研削工程に移行し、加工圧力を１．５ｋｇ／平方ｃｍとし、回転数を１０００ｒｐｍとし、レンズ素材が目標厚さとなるまで研削加工を行った。

この結果、厚さ精度が±０．００５μｍ以内に収まることが確認された。また、研削加工面の曲率を測定したところ、１５０回加工すると、ΔＨが−０．００１μｍ変化した。揺動位置を１０％シフトさせて更に１５０回加工すると、ΔＨが基準値に戻ったので、揺動位置を元に戻した。これらの継続により、研削加工面の曲率がΔＨで０〜０．００１μｍの範囲内に収まることが確認できた。

１ 球芯式レンズ研削加工装置
２ 上ユニット
２ａ 中心軸線
３ 下ユニット
４ レンズ保持具
４ａ レンズ保持面
５ レンズ加圧軸
６ 加圧シリンダ
７ レンズ素材
７ａ 被研削面
８ 皿形砥石
８ａ 球状砥石面
９ スピンドル軸
９ａ 中心軸線
１０ スピンドルモーター
１１ 揺動機構
１２、１３、１４ レギュレータ
１５、１６、１７ 切替弁
１８ コントローラ
１９ 測長器
２０ インバータ
２１ ドライバ
Ｏ 揺動中心
θ 揺動角度
Ｒ 加工球面半径

Claims (5)

1. ダイヤモンド砥粒を備えた球状砥石面を備えた皿形砥石を、研削対象のレンズ素材の被研削面に所定の加工圧力で押しつけ、この状態で、前記皿形砥石を所定の回転数で回転させると共に揺動させながら前記被研削面を球面に研削する皿形砥石を用いたレンズ球面の研削加工方法であって、
   前記加工圧力が第１加工圧力、前記回転数が第１回転数で研削を行う初期研削工程と、
   前記加工圧力が第２加工圧力、前記回転数が第２回転数で研削を行う中期研削工程と、
   前記加工圧力が第３加工圧力、前記回転数が第３回転数で研削を行う後期研削工程とを有し、
   前記第２加工圧力は前記球状砥石面が前記レンズ素材に食い込み可能な圧力であり、前記レンズ素材の硬さ、および、前記レンズ素材の前記被研削面と前記皿形砥石の前記球状砥石面との接触面積から、前記皿形砥石の食い込み量を求め、当該食い込み量に基づき前記第２加工圧力を算出し、
   前記第２回転数を、前記皿形砥石の前記ダイヤモンド砥粒が前記レンズ素材に食い込み可能な回転数に設定し、
   前記第１加工圧力を前記第２加工圧力よりも低い値に設定し、前記第１回転数を前記第２回転数よりも低い値に設定し、
   前記第３加工圧力を前記第１加工圧力よりも低い値に設定し、前記第３回転数を前記第２回転数よりも低く前記第１回転数よりも高い値に設定することを特徴とする皿形砥石を用いたレンズ球面の研削加工方法。
2. 請求項１において、
   前記第２加工圧力を、前記皿形砥石の前記ダイヤモンド砥粒が前記レンズ素材に食い込み可能な最小値に設定し、
   前記第２回転数を、前記皿形砥石の前記ダイヤモンド砥粒が前記レンズ素材に食い込み可能な最大値に設定することを特徴とする皿形砥石を用いたレンズ球面の研削加工方法。
3. 請求項１または２において、
   前記初期研削工程は、前記レンズ素材の前記被研削面が前記球状砥石面に全体として接触した状態が形成されるまで行い、
   前記中期研削工程は、前記レンズ素材の中心肉厚が目標値よりも予め設定した寸法だけ厚い状態が形成されるまで行うことを特徴とする皿形砥石を用いたレンズ球面の研削加工方法。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、
   少なくとも前記中期研削工程においては、前記レンズ素材の前記被研削面が前記皿形砥石の前記球状砥石面を摺動する領域を定期的に変化させることを特徴とする皿形砥石を用いたレンズ球面の研削加工方法。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
   前記レンズ素材の硬さがヌープ硬度６３０であり、
   前記第２加工圧力が１０ｋｇ／平方ｃｍ、前記第２回転数が１５００ｒｐｍであり、
   前記第１加工圧力が２ｋｇ／平方ｃｍ、前記第１回転数が４００〜６００ｒｐｍであり、
   前記第３加工圧力が１．５ｋｇ／平方ｃｍ、前記第３回転数が１０００ｒｐｍであることを特徴とする皿形砥石を用いたレンズ球面の研削加工方法。

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