JP2012030311A - 球面研削加工方法および球面研削加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工効率を落とすことなく、要求品質、特にクラック深さの向上を図り、後工程である精研削、研磨加工の負担を軽減することにより、後工程の加工時間短縮さらには工程削減が可能な球面研削加工方法および球面研削加工装置を提供すること。
【解決手段】先端にレンズ基体を取付けたワーク軸と、先端に研削砥石を装着した砥石軸とのそれぞれを回転させつつ互いに近接させ、切り込み速度を制御しつつ研削砥石によってワークを所定の切り込み量だけ研削する速度制御切り込み工程と、この速度制御切り込み工程の後に、研削砥石にワークを押し当てる圧力を制御しながら切り込みを行う圧力制御切り込み工程と、を順次行う。
【選択図】図３

Description

この発明は、球面研削加工方法および球面研削加工装置に関し、さらに詳しくは、レンズなどの光学素子や金型などのワークに対する球面研削加工方法および球面研削加工装置に関する。

従来、レンズなどの光学素子の球面研削加工方法としては、特許文献１に開示されている方法がある。図７に示すように、この方法で用いる加工装置１８は、各構成部材を支承するベース１上に、ワークであるレンズ基体３を保持するワーク保持部４を回転自在に支持するワークヘッド５が前後動可能に設置されている。ワーク保持部４の軸端部には、プーリー６が固設されている。プーリー６は、ワークヘッド５に固設されたモーター７の駆動軸８に固設したプーリー９に、ベルト１０を介して連結されている。符号１１は、レンズ基体３を球面状に加工するカップ形の研削砥石を示す。この研削砥石１１は、砥石軸１２を介してハウジング１３に回転自在に支持されている。上記ワークヘッド５には、このワークヘッド５を研削砥石１１に対して進退させる方向に移動させるためのボールネジ１４が螺装されている。このボールネジ１４は、ベース１に固設したパルスモーター１５と連動するように構成されている。また、回転数計測部１９は、モーター７の駆動軸８に固設された切欠き円板２０の切欠きを光電センサー２１が検出するよう構成されている。この回転数計測部１９は、速度制御装置１７へ検出結果を送信するようになっている。

上記構成の加工装置１８を用いてレンズを球面研削加工する場合、レンズ基体３をワーク保持部４に保持した後、モーター７を回転させてワーク保持部４および研削砥石１１を回転させる。モーター７の回転により切欠き円板２０が回転し、速度制御装置１７に送られる信号によりレンズ基体３の回転数を計測できる。同時に速度制御装置１７からの指令によりパルスモーター１５を駆動し、ワークヘッド５を研削砥石１１方向に前進移動させ、レンズ基体３を研削砥石１１に押し付ける。更に、所定のパルス数をカウントするまでパルスモーター１５を駆動すると、ワークヘッド５は所定位置まで送り込まれて切り込み動作を停止する。パルスモーター１５が停止すると、速度制御装置１７は光電センサー２１から送られてくる信号をカウントし、レンズ基体３の一回転分に相当する信号をカウントすると速度制御装置１７がパルスモーター１５を逆転駆動する。パルスモーター１５の逆転により、ワークヘッド５が後退し、レンズ基体３が研削砥石１１から離される。上記の動作により、レンズ基体３の被加工面には球面が創成される。

このような加工装置１８によれば、レンズの切り込み完了後に、その位置にてレンズ基体３の切り込み動作を停止し、更にレンズ基体３の一回転分（又は一回転分以上）に相当する回転数をレンズ基体３に確実に与えること（所謂、スパークアウト）ができる。従って、上記レンズ基体３の切り込み停止時にたとえ研削跡が付いていても、上記のスパークアウトによりレンズ基体３の被加工面全体を停止位置で荒摺加工して研削跡を除去した球面を得ることができる。

特公平１−２６８２１号公報

一般に、球面研削加工で要求される被加工面の品質には、面形状精度、表面粗さ、クラック深さなどがある。上記の従来技術では面形状精度の向上が期待できるが、クラック深さについては改善を要するという課題があった。すなわち、レンズ基体３に発生するクラックは、研削砥石１１がレンズ基体３を切り込んでいるときに発生するが、上記のスパークアウトは切り込み停止後に行われる。このため、切り込み中に発生したクラックは、そのまま残ることになる。

レンズなどの光学素子においては、荒摺加工後に、レンズ基体３の被加工面の形状を略反転した総型砥石を用いて精研削および研磨加工を行って鏡面を得る工程（以下、後工程という。）を行っている。ここで、上記のクラックが除去されない場合には、ピットあるいはボツと呼ばれる点状痕が鏡面に残り不良となる。このため、荒摺加工の後工程となる精研削加工においては、数工程をかけてこのクラックを除去することが必要となる。また、生産現場では効率向上の要求が厳しく、切り込み速度を大きくして加工時間を短縮しようとするため、クラック深さはさらに大きくなる。従って、後工程での加工量がさらに大きくなり、使用する精研削砥石への負担が大きくなるという問題がある。

この発明は上記に鑑みてなされたものであり、加工効率を落とすことなく、要求品質、特にクラック深さの向上を図り、後工程である精研削、研磨加工の負担を軽減することにより、後工程の加工時間短縮さらには工程削減が可能な球面研削加工方法および球面研削加工装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明にかかる球面研削加工方法は、先端にワークを取付けたワーク軸と、先端に研削砥石を装着した砥石軸とのそれぞれを回転させつつ互いに近接させ、切り込み速度を制御しつつ研削砥石によってワークを所定量だけ研削し、前記研削の後に、圧力制御による切り込みを行うことを特徴とする。

また、この発明にかかる球面研削加工装置は、回転自在に構成されたワーク保持部と、このワーク保持部に連結したワーク側回転駆動部と、先端に砥石を装着する砥石軸と、この砥石軸に連結した砥石側回転駆動部と、上記のワーク保持部に保持されたワークを砥石軸に装着された研削砥石に対して進退する方向に移動させる進退駆動部と、ワーク保持部に保持されたワークを砥石軸に装着された研削砥石側に加圧させる加圧駆動部と、進退駆動部の駆動速度、進退方向および停止位置を制御する速度制御装置と、加圧駆動部によるワークと研削砥石との研削加工中の加工圧力を制御する圧力制御装置と、を備え、回転するワークを回転する研削砥石に対し所定の速度で移動してワークを所定量切り込んだ後に、所定圧力による切り込みを行うことを特徴とする。

本発明によれば、ワークを球面研削する場合、加工時間を延ばすことなくクラック深さが小さい加工面を得ることができ、精研削から研磨までの後工程への負担を小さくでき、また工程削減も可能となる。

図１は、この発明の実施の形態にかかる球面研削加工装置を示す平面図である。 図２は、この発明の実施の形態にかかる球面研削加工方法を用いた工程を含み、研磨工程までを行う場合を示すフローチャートである。 図３は、球面研削加工工程を示すフローチャートである。 図４は、この発明の実施の形態にかかる球面研削加工方法を用いた実施例の設定値を示す図である。 図５は、比較例の設定値を示す図である。 図６は、比較例のフローチャートである。 図７は、従来の球面研削加工装置を示す平面図である。

以下、この発明の実施の形態にかかる球面研削加工方法および球面研削加工装置の詳細を図面に基づいて説明する。まず、図１を用いてこの発明の実施の形態にかかる球面研削加工装置について説明する。なお、以下の説明において、図７に示した従来の装置部材と同一の部材については同一符号を付してその説明を省略する。

図１に示すように、ワークヘッド５を前後動可能に支承するワーク軸ベース２にはボールネジ１４が螺装され、ベース１側に固設された進退駆動部としてのパルスモーター１５と連動構成されている。シリンダー３５はワーク軸ベース２に固設され、ワークヘッド５に連結されている。このシリンダー３５は、レンズ基体３を接触状態にある砥石軸１２上の研削砥石１１に対して圧力調整可能に加圧させるための加圧駆動部となるものである。ワーク軸ベース２上には、シリンダー３５によって進退駆動されるワークヘッド５の前進移動位置を規定する、前後調節可能に設置されたストッパー３６が設けられている。また、シリンダー３５には、シリンダー３５の圧力を制御する圧力制御装置３７が接続されている。

研削砥石１１は、レンズ基体３を球面状に加工するカップ形砥石であり、砥石軸１２を介してハウジング１３に回転自在に支持されている。ハウジング１３は、砥石軸ベース３０に設けられている。砥石軸１２は、モーター３１によりプーリー３２、ベルト３３などを介して回転駆動されるようになっている。

以下、この実施の形態にかかる球面研削加工装置を用いた球面研削加工方法およびその作用・動作について説明する。この実施の形態にかかる球面研削加工方法は、先端にレンズ基体３を取り付けたワーク保持部（ワーク軸）と、先端に研削砥石１１を装着した砥石軸１２とのそれぞれを回転させつつ互いに近接させ、切り込み速度を制御しつつ研削砥石１１によってレンズ基体３を所定の切り込み量だけ研削する速度制御切り込み工程と、この速度制御切り込み工程の後に、研削砥石１１にレンズ基体（ワーク）３を押し当てる圧力を制御しながら切り込みを行う圧力制御切り込み工程と、を順次行うものである。

具体的には、レンズ基体３を従来加工と同様に速度制御により所定速度で所定量ｅ１の切り込みを行い、その後、この速度制御による切り込みで発生したクラックの深さと等しい又はほぼ等しい所定量ｅ２だけ、圧力制御により所定圧力で切り込みを行う。このとき適切な圧力を設定するとレンズ基体３に発生するクラックの深さは速度制御切り込みで発生するクラックの深さの数分の一〜数十分の一となる。速度制御切り込み工程は、従来加工と同様かそれ以上でもよく、ほとんど同じ加工時間で良好な加工面が得られる。

まず、レンズ基体３をワーク保持部４に保持した後、モーター７を回転してワーク保持部４を回転させる。さらに、速度制御装置１７からの指令によりパルスモーター１５を駆動させる。そして、モーター３１により回転駆動される研削砥石１１に近づく方向に、ワークヘッド５を前進移動させ、レンズ基体３を研削砥石１１に押し付ける。更に、速度制御装置１７は、所定のパルス数をカウントするまでパルスモーター１５を駆動させて、ボールネジ１４によりワークヘッド５を距離ｅ１だけ前進させた所定位置で停止させる。これにより、切り込み速度を制御しつつ研削砥石１１によってレンズ基体３を所定の切り込み量だけ研削する速度制御切り込み工程が実行される。その結果、回転するレンズ基体３を回転する研削砥石１１に対し一定の速度で相対的に移動させてレンズ基体３を切り込むことができる。

パルスモーター１５が停止すると、引き続き、速度制御装置１７は圧力制御装置３７に指令し、圧力制御装置３７は、シリンダー３５の圧力が所定の値になるように駆動する。このようにシリンダー３５が加圧されると、ワークヘッド５はストッパー３６に当接するまで距離ｅ２だけ前進移動し停止する。これにより、研削砥石１１によってレンズ基体３を押し当てる圧力を制御しながら切り込みを行う圧力制御切り込み工程が実行される。その結果、一定の圧力でレンズ基体３を切り込むことができる。

前進移動して停止した状態で、レンズ基体３を一回転以上、回転させた（スパークアウトを行った）後、速度制御装置１７がパルスモーター１５を逆転駆動する。パルスモーター１５の逆転により、ワークヘッド５が後退し、レンズ基体３が研削砥石１１から離される。上記の動作により、レンズ基体３の被加工面には球面が創成される。

この実施の形態にかかる球面研削加工方法および球面研削加工装置によれば、レンズ基体３を球面研削する場合、速度制御装置１７で速度制御切り込みを行うことで、加工時間を延ばすことがなく、加えて圧力制御装置３７で圧力制御切り込みを行うことでクラック深さが小さい加工面を得ることができる。すなわち、この球面研削加工装置によれば、速度制御による切り込み（移動量ｅ１）後に圧力制御による切り込み（切り込み量ｅ２）を正確に行い、クラック深さを小さくすることができる。従って、この球面研削加工装置を用いることにより、精研削から研磨までの後工程への負担を小さくでき、また工程削減も可能となる。

（実施例）
この実施の形態にかかる球面研削加工方法を、レンズ基体の研磨工程までの光学素子の製造方法に適用した場合を、図２のフローチャートに示す。図２は、この実施の形態にかかる球面研削加工方法を用いて球面研削加工を施した後、研磨工程まで行った場合を示すフローチャートである。図２に示すように、光学素子の製造は、順次速度制御切り込み工程と圧力制御切り込み工程を備えた球面研削加工工程（ステップＳ１）、球面研削加工工程で研削された表面をさらに精度よく研削する精研削２工程（ステップＳ２）、精研削２工程である程度仕上げられたレンズ基体の表面を研磨し、所定の表面粗さ、曲率、厚さになるように高精度に仕上げる研磨工程（ステップＳ３）を経て終了する。

図３は、球面研削加工工程（ステップＳ１）の内容を示すフローチャートである。図３に示すように、球面研削加工工程では、まず、レンズ基体を速度制御による切り込みを行う速度制御切り込み工程を行う（ステップＳ１１）。そして、速度制御切り込み工程で所定量ｅ１の切り込みを行ったか否かを判定し（ステップＳ１２）、切り込み長さが所定量ｅ１に満たない場合は速度制御切り込みを続行し、所定量ｅ１に達した場合は、圧力制御による切り込みを行う（ステップＳ１３）。そして、圧力制御切り込み工程で所定量ｅ２の切り込みを行ったか否かを判定し（ステップＳ１４）、所定量ｅ２に満たない場合は圧力制御切り込み工程を続行し、所定量ｅ２に達した場合は、圧力制御切り込みを終了する。この圧力制御切り込み工程（ステップＳ１３）では、速度制御による切り込みで発生したクラックの深さとほぼ等しい所定量ｅ２だけ、圧力制御による切り込みを行う。その後、レンズ基体の位置を固定したまま一回転以上、回転させてスパークアウトを行ない（ステップＳ１５）、その後、レンズ基体を後退させる後退駆動を行う（ステップＳ１６）ことで、球面研削加工工程が終了する。

上記実施例に対して、図６は、レンズ基体を研磨工程まで行った比較例を示すフローチャートである。図５は、従来方法と同様の比較例（図６のフローチャート参照）において発生するクラック深さと取代の設定値を示す。図５に示した比較例では、速度制御切り込みにおける球面研削加工で発生するクラック深さの平均は３５μｍとなる。このため、後工程である精研削１工程では、球面研削加工で発生したクラックを除去するために、クラック深さのばらつきを考慮して４５μｍの取代を設定する必要がある。精研削１工程においては、上記球面研削加工で発生するクラックを除去しても、さらに８μｍのクラックが新たに発生する。そこで、精研削２工程において、さらに１２μｍの取代を設定し、精研削１工程で新たに発生したクラックを除去する。そして最終工程である研磨加工において、精研削２工程で新たに発生した１μｍ程度のクラックを除去し、鏡面を得る。このように光学素子の鏡面を得る加工においては、前工程で発生したクラックを後工程で除去しつつ表面粗さを低減していく。図５に示すように、このときの総取代は６０μｍとなっている。

なお、この比較例では、図６に示すように、順次、従来と同様の速度制御切り込み工程（球面研削加工工程：ステップＳ２１）、球面研削加工工程で研削された表面を精度よく研削する精研削１工程（ステップＳ２２）、精研削１工程で研削された表面をさらに精度よく研削する精研削２工程（ステップＳ２３）、精研削２工程である程度仕上げられたレンズ基体の表面を研磨し、所定の表面粗さ、曲率、厚さになるように高精度に仕上げる研磨工程（ステップＳ２４）、を経て終了する。

図４は、上記実施の形態にかかる球面研削加工方法を適用してレンズ基体３を研磨工程まで行ったとき（図２のフローチャート参照）の実施例を示し、発生するクラック深さを取代の設定値を示す。図４に示すように、実施例では、最初は従来加工と同様に速度制御切り込みを行うが、比較例で行う従来加工の停止位置に対して４５μｍ程度手前で速度制御切り込みを停止し、続けて圧力制御による切り込みに変えて所定の停止位置まで加工する。この実施例によれば球面研削で発生しているクラック深さは１５μｍ程度に減少し、後工程としては、比較例で必要とする精研削１工程を行う必要がなく、精研削２工程と研磨工程の２工程を行えばよい。このとき、クラックを取り除いた時点で、総取代は２３μｍ程度となる。

このように、実施例では、速度制御の後に引き続き圧力制御による球面研削加工を行うことにより、球面研削加工で発生するクラックが小さくなり、後工程である精研削１を削減することができる。

以上、この発明の実施の形態にかかる球面研削加工方法および球面研削加工装置について説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものではない。例えば、上記の実施の形態では、パルスモーター１５およびシリンダー３５によりレンズ基体３（ワーク）側を前後動させたが、研削砥石１１側あるいは両方を前後動させてもよい。また、シリンダー３５は圧力制御可能であれば、空圧、油圧、ばね等でもよい。

また、上記の実施の形態では、ワークとしてレンズ基体３を適用したが、他の光学素子のワーク以外に、金型、装飾品など球面研削加工を施す各種の物に、この発明を適用することが可能である。

３ レンズ基体（ワーク）
４ ワーク保持部（ワーク軸）
７ モーター（ワーク側回転駆動部）
８ 駆動軸
１１ 研削砥石
１２ 砥石軸
１４ ボールネジ
１５ パルスモーター（進退駆動部）
１７ 速度制御装置
３１ モーター（砥石側回転駆動部）
３５ シリンダー（加圧駆動部）
３７ 圧力制御装置

Claims (2)

1. 先端にワークを取付けたワーク軸と、先端に研削砥石を装着した砥石軸とのそれぞれを回転させつつ互いに近接させ、
   切り込み速度を制御しつつ前記研削砥石によって前記ワークを研削する工程と、
   その後、圧力制御による切り込みを行う工程と、を含む、球面研削加工方法。
2. 回転自在に構成されたワーク保持部と、
   前記ワーク保持部に連結したワーク側回転駆動部と、
   先端に研削砥石を装着する砥石軸と、
   前記砥石軸に連結した砥石側回転駆動部と、
   前記ワーク保持部に保持されたワークを前記砥石軸に装着された前記研削砥石に対して進退する方向に移動させる進退駆動部と、
   前記ワーク保持部に保持されたワークを前記砥石軸に装着された前記研削砥石側に加圧させる加圧駆動部と、
   前記進退駆動部の駆動速度、進退方向および停止位置を制御する速度制御装置と、
   前記加圧駆動部による前記ワークと前記研削砥石との研削加工中の加工圧力を制御する圧力制御装置と、
   を備え、
   回転する前記ワークを回転する前記研削砥石に対し所定の速度で移動させて前記ワークを切り込んだ後に、所定圧力による切り込みを行わせること
   を特徴とする球面研削加工装置。

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