JP4322324B2 - 旋盤装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、工作物に対して三次元面を機械加工する分野に関し、特に、工作物、たとえばコンタクトレンズに軸非対称面を機械加工するための旋盤装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
運よく、光学的矯正を要しないほぼ完璧な視力を有する人達がいる。しかし、多くの人達が何らかの視力障害に悩んでいる。たとえば、一定距離よりも近くの光の像を網膜上で正しく合焦させることができず、網膜よりも後に合焦させてしまう遠視に悩む人達がいる。他にも、近視に悩む人達がいる。上述した視力障害は通常、球面を有するコンタクトレンズを使用して矯正することができる。しかし、かなり多くの他の視力障害が、非球面を有するコンタクトレンズを要する。たとえば、通常の疾患である乱視は軸非対称のレンズ面の使用を要する。乱視は、眼の湾曲が一つの方向と別の方向とで異なる屈折の欠陥である。そこで、乱視を矯正するには、異なる曲率半径を有する面を有するコンタクトレンズが必要である。しばしば、乱視は近視又は遠視と合併するため、必要なコンタクトレンズは両方の状態を矯正しなければならない。
【０００３】
過去において、球面と非球面の両方を有するコンタクトレンズを提供する一つの方法は、レンズの内側凹面に球面矯正を機械加工し、研磨したのち、レンズを保持装置にクリンプ（圧着）してレンズを偏らせる方法であった。そして、このようにして偏らせたレンズの外側凸面を機械加工し、研磨する。レンズをクリンプ装置から解放したのち、レンズはそのクリンプされない形状に戻り、レンズの外面に円環曲面を残す。この処理は労働集中的であり、クリンプに高い精度を要する。
【０００４】
当該技術において、クリンプ処理は望ましいとはいえないことが認識されており、クリンプなしで円環レンズを製造する努力がなされてきた。たとえば、米国特許第４，６８０，９９８号明細書は、レンズブランクをチャックによってスピンドルに締め付け、スピンドルを回転させる旋盤装置を記載している。切削工具が回転コードラントに支持され、このコードラントの旋回がレンズブランクの表面にかけて切削工具をアーチ形に動かす。この方法で、切削工具が所定の工具経路を移動して、スピンドルが回転するときレンズを切削する。この装置の一つの欠点は、揺動の振幅が増すにつれ、切削工具の位置がレンズブランクに対して変化するため、切削工具の揺動の有効振幅（有効動程）がひどく制限されることである。これは、この装置によって製造することができるレンズを限定する傾向にある。
【０００５】
米国特許第４，８８４，４８２号及び第４，９４７，７１５号は、工作物に非球面を切削する方法及び装置に関する。第４，８８４，４８２号及び第４，９４７，７１５号の特許明細書に記載された装置及び方法は、第４，６８０，９９８号明細書に記載のものと非常に類似している。しかし、第４，８８４，４８２号及び第４，９４７，７１５号の特許では、切削工具と工作物との間の揺動の有効動程を改善しようとして、第４，６８０，９９８号明細書に記載のようにして切削工具を揺動するのではなく、スピンドルを揺動することによって工作物を揺動する。しかし、工作物を揺動することがいくぶん問題である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、レンズに軸非対称面を形成することができ、公知の装置及び技術の場合よりも大きな有効動程を提供する旋盤装置及び方法の必要性が依然として残るということがわかる。そのような旋盤装置及び方法を提供することが、本発明の第一の目的である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
簡潔に記載すると、本発明は、第一の好ましい形態で、軸非対称形状をもつ製品を工作物から製造するための旋盤を含む。旋盤は、円環曲面をもつコンタクトレンズを製造するのに特に適している。旋盤は、回転軸を中心にして工作物を回転させるためのスピンドルと、工作物を切削するための切削工具とを含む。旋盤はまた、切削工具を回転軸に対して一定の角向きに支持し、スピンドルが工作物を回転させるとき、切削工具を、工作物に隣接する所定の経路に沿って動かすための可動ベッド手段を含む。また、可動ベッド手段が切削工具を所定の経路に沿って動かすとき、切削工具を揺動軸に沿って揺動するための手段が設けられる。揺動軸は、回転軸に対して固定された非ゼロ角度で向けられる。
【０００８】
本発明の装置及び方法は、公知の装置及び方法に勝る実質的な利点を提供する。公知の従来技術のいくつかでは、揺動が回転軸に対して並行に生じるが、機械加工されるレンズ面のかなりの部分が、回転軸が面に対してその地点で垂直にはならないような向きにあるという事実により、揺動の有効動程が制限される。公知の従来技術の他のものでは、有効動程は、切削工具の揺動の回転性によって制限される。対照的に、本発明は、揺動軸を回転軸に対して斜めに振るか、並進動で切削工具を揺動することにより、公知の揺動機構の限られた実動程をより有効に利用する。
【０００９】
本発明は、従来可能であったよりも大きな非対称性をもつコンタクトレンズをはじめとする、より広い範囲のコンタクトレンズの製造を可能にする。したがって、本発明の第一の目的は、広い範囲の軸非対称レンズを製造することができる旋盤装置及び方法を提供することにある。本発明のもう一つの目的は、比較的大きな軸非対称性をもつレンズを製造することができる旋盤装置及び方法を提供することにある。本発明のもう一つの目的は、公知の揺動機構を使用する場合よりもより大きな有効揺動動程を提供する旋盤装置及び方法を提供することにある。本発明のもう一つの目的は、構造が簡単であり、耐久性であり、廉価に製造し、使用することができる、軸非対称レンズを製造する旋盤装置及び方法を提供することにある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
ここで、同様な符号がいくつかの図面を通じて同様な部品を示す図面を詳細に参照すると、図１の（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明を使用して製造することができる軸非対称レンズ形状の例を示す。これらのレンズ形状そのものは新規ではなく、過去において、本発明の原理を使用する場合よりも高い費用及び困難をもって製造されてきたことを理解すべきである。
【００１１】
図１の（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、球面部１１及び非球面部１２を有する円環レンズ１０の前側面図及び左側面図である。（Ａ）と（Ｂ）とを比較することによって理解することができるように、非球面部１２は、一つの方向で第一の曲率半径ｒ₁ を有し、その方向に対して垂直な方向から見て、第二の、まったく異なる曲率半径ｒ₂ を有している。
【００１２】
図１の（Ｃ）は、円環レンズ１５が、ほぼ球面形の上部１６と、非球面の中央部１７と、バラスト部１８とを含む別のタイプの軸非対称を示す。図１の（Ｃ）に見てとれるように、バラスト部１８は、上部１６の厚さｔ₁ よりも実質的に大きい厚さｔ₂ を有する。
【００１３】
図２は、Rank Pneumo によって製造され、当該技術に公知である一般的なタイプの、円環レンズを製造するための従来技術の旋盤装置を示す。従来技術の旋盤装置２０は、図示しないベースと、その上に支持されるスピンドルハウジング２１とを含む。スピンドルハウジング２１は、図示しないモータ手段によって駆動される回転可能なスピンドル２２を収納し、支持する。当該技術ですでに知られるように、旋盤装置２０はまた、切削工具の動きを同調させるために、スピンドルの瞬間的な角位置を検出するためのセンサ手段を含む。
【００１４】
従来技術の旋盤装置２０はまた、２軸可動ベッド又はコードラント２３を含む。工具ホルダ２４が工具ホルダ支持ハウジング２６によって支持され、このハウジングが逆にコードラント２３に取り付けられている。工具ホルダ支持ハウジング２６は、工具ホルダを、揺動軸２８に沿って両方向矢印２７によって示す前後方向に揺動するための内部振動手段（図示せず）を収納する。このようにして、工具ホルダ２４に取り付けられる切削工具２９が揺動軸２８に沿って前後に揺動される。
【００１５】
レンズブランク又は工作物を支持するためのチャック３１がスピンドル２２の端部に取り付けられている。スピンドル２２が回転軸３３を中心に工作物３２を回転させる。工作物３２が回転軸３３を中心に回転すると、コードラント２３が、従来のＣＮＣ（コンピュータ数値制御）原理により、所定の経路を通過する。その際に、コードラントはＸ軸方向及びＺ軸方向に動く。
【００１６】
先に説明し、図２に示す従来技術の装置は、工具ホルダ２４及び切削工具２９を揺動するために、動き増幅レバー機構を備えたデュアル圧電アクチュエータを使用する。揺動の範囲は０．４mmである（揺動速度が増すにつれ小さくなる）。多くの場合、所望の非対称性を得るために０．４mmの型よりも大きな動程が必要であるため、この０．４mmの動程制限は、このような装置を使用して製造することができる軸非対称円環レンズのタイプを限定するように作用する。
【００１７】
図３は、本発明の好ましい形態による新規な旋盤装置４０を示す。旋盤装置４０は、多くの点で、図２に示す従来技術の旋盤装置２０に類似している。たとえば、新規な旋盤装置４０は、図示しないベースと、スピンドルハウジング２１と、スピンドル２２とを含む。旋盤装置４０はまた、Ｘ方向及びＺ方向に動くためのコードラント又は可動ベッド２３を含む。新規な旋盤装置４０はまた、工作物又はレンズブランク３２を支持するためのチャック３１を含む。工具ホルダ２４が切削工具２９を支持し、逆に、工具ホルダ支持ハウジング２６によって支持されている。工作物に対して切削工具を適切に配設するために、好ましくは、工具ホルダ２４に対する切削工具２９の角向きが、図２に示すものからシフトされている（図３を参照）ことに注目すること。工具ホルダ支持ハウジング２６はまた、工具ホルダ（ひいては切削工具２９）を前後に揺動するための、内部に取り付けられた揺動機構を含む。これに関して、デュアル圧電アクチュエータを使用することが好ましく、あるいはまた、米国特許第４，６８０，９９８号明細書に教示されているように、モータを使用して工具ホルダを揺動することもできる。あるいはまた、工具ホルダ及び切削工具を揺動するための他の装置を設けてもよい。
【００１８】
図３から容易に見てとれるように、新規な旋盤装置４０と、図２に示す従来技術の構造に見られるものとの重要な違いは、本発明の揺動軸４８が回転軸３３に対して並行には向けられていないということにある。それどころか、揺動軸４８は揺動軸に対して斜角αで向けられている。好ましくは、斜角αは、回転軸３３に対して約２０°〜７０°である。より好ましくは、斜角αは、回転軸に対して３０°〜６０°である。もっとも好ましくは、斜角αは約４５°である。
【００１９】
図４は、揺動軸を斜角αに配置し直す重要性を理解するのに役立つ。図４には、レンズＬの一部が回転軸３３に対して示されている。レンズＬは、球面部５１及び非球面部５２を有している。非球面部５２では、軸非対称性を点線５３によって示す。図２の従来技術の旋盤装置を使用してこの軸非対称性を作り出そうとするならば、所望の深さを達成するのに、切削工具の揺動動程が距離ｄ₂ よりも大きくなければならない。しかし、多くの場合、揺動の最大動程は距離ｄ₂ 未満である。揺動軸４８を回転軸から角度αだけオフセットさせることにより、同じ輪郭を達成するのに、距離ｄ₁ が、その輪郭を達成するのに必要な動程に一致する。要するに、揺動軸は、理想的にも、軸非対称性が求められるレンズ面に対して垂直になる角度まで振られる。この方法で、公知の揺動機構のむしろ限られた実動程をより有効に利用して、所望の軸非対称輪郭を達成する。工具ホルダが回転軸に対して一定に向きに保持されていると、面全体にわたって垂直性を維持することはできない。表面のすべての地点で真の垂直を維持するために、工具ホルダの向きが使用中に変化する装置を構成することは可能であるが、ただし、機械的複雑さ及び計算の複雑さが増すという犠牲を払ってのみ可能である。
【００２０】
当業者であれば、角度αを調節するためには、従来技術の旋盤装置の揺動を制御するのに使用されるソフトウェアを変更しなければならないことを認識するであろう。しかし、それに要する数学的補正は簡単な三角法上の問題を呈するだけである。当業者であれば、図３に示す揺動軸が回転軸の一方の側にあるが、その反対側に配置することもまったく容易であることを容易に理解するであろう。さらに、コンタクトレンズ（製品の中でもとりわけ）を製造するのに非常に有用であることに加え、本発明は、コンタクトレンズを製造するため型及び他の工具を製造するのにも等しく有用である。
【００２１】
図５は、本発明の第二の好ましい形態の旋盤装置１１０を示す。旋盤装置１１０は、スピンドルハウジング１２１と、工作物１３２を支持し、回転させるための従動スピンドル１２２とを含む。工作物は回転軸１３３を中心に回転する。旋盤装置１１０はまた、ハウジング１２６を支持する回転コードラント１２３を含む。ハウジング１２６は、切削工具１２９を支持する工具ホルダ１２４を往復運動させる（矢印１３０で示すように振動し前後に並進揺動する）ための機構（図示せず）を含む。この方法で、切削工具１２９は移動軸１３０に沿って往復運動する。回転コードラント１２３の上部がアーチ形の矢印１４０の方向にアーチ形に動いて、切削工具１２９を、工作物１３２に隣接する所定のアーチ形の経路に動かす。
【００２２】
図６は、切削工具１２９を往復並進的に揺動するための一つの好ましい機構を示す。揺動機構１５０は、正面刃物棒１２４を案内して、その動きを矢印１３０によって示す往復並進運動に制限するためのガイド手段１５１及び１５２を含む。さらに、さらなるガイド手段（図示せず）を正面刃物棒１２４の両側に設けて、動きをさらに並進往復運動に制限することもできる。機構１５０は、上述のRank Pneumo 装置に用いられる一般的なタイプである。
【００２３】
揺動機構１５０はまた、支点１５９を中心に振り子１５８の枢転動を起こすための１対の圧電要素１５６及び１５７を含む。印加される電圧の変化とともに圧電要素１５６及び１５７それぞれの高さが上下すると、それが、振り子１５８を支点１５９を中心に枢転させ、振り子の下端１６１を、矢印１６０によって示すアーチ形の移動経路に動かす。連結棒又は支柱１６２が、その一端で、振り子１５８の下端１６１に枢転自在に接続され、その他端で、正面刃物棒１２４の背面部に枢転自在に接続されている。この方法で、振り子１５８の下端１６１の枢転動が正面刃物棒１２４の並進動に変換される。切削工具１２９が正面刃物棒１２４の上部に固着された状態で、切削工具の往復並進動が達成される。
【００２４】
本発明は、揺動機構を有する従来技術の旋盤装置に勝る顕著な利点をいくつか有している。まず、所与の輪郭に関して、より小さな揺動を使用して同じ非対称深さを達成することを可能にする。より小さな揺動の使用はしばしば、揺動の速度を増すことを許し、それにより、スピンドル速度を十分に増すことを許す。これが、旋盤装置の処理能力又は生産速度を高める。そのうえ、本装置及び方法はまた、公知の揺動機構の最大動程をより有効に利用して、揺動機構の有効範囲を増すことができる。
【００２５】
さらには、回転コードラントを備えた往復並進揺動機構（図５及び６を参照）を使用すると、回転コードラント旋盤の利用度が大幅に増す。換言するならば、本発明の新規な装置により、今や、以前には公知の装備を使用して製造することができなかった輪郭をも形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置及び方法にしたがって製造することができる軸非対称レンズの前側面図（Ａ）及び左側面図（Ｂ）ならびに本発明の装置及び方法にしたがって製造することができるもう一つの軸非対称レンズの側面図（Ｃ）である。
【図２】軸非対称レンズを製造するための従来技術の旋盤装置の平面図である。
【図３】軸非対称レンズを製造するための本発明の好ましい形態の旋盤装置の平面図である。
【図４】本発明にしたがって製造された軸非対称レンズの一部の側面図である。
【図５】本発明のもう一つの好ましい実施形態の旋盤装置の斜視図である。
【図６】図５の旋盤装置の揺動機構部の断面図である。
【符号の説明】
２１ スピンドルハウジング
２２ スピンドル
２３ 可動ベッド
２４ 工具ホルダ
２６ 工具ホルダ支持ハウジング
２９ 切削工具
３１ チャック
３２ レンズブランク
４０ 旋盤装置

Claims (13)

1. 軸非対称形状をもち、一つ以上の円環曲面をもつコンタクトレンズを工作物から製造するための旋盤であって、
   回転軸を中心にして工作物を回転させるためのスピンドルと、
   切削工具と、
   前記切削工具を、前記回転軸に対して一定の角向きに支持し、前記スピンドルが工作物を回転させるとき、前記切削工具を、工作物に隣接する所定の経路に沿って動かすための、少なくとも第一の軸及び前記第一の軸に対して横向きの第二の軸に沿って並進運動が可能である可動ベッド手段と、
   前記可動ベッド手段が前記切削工具を前記所定の経路に沿って動かすとき、前記切削工具を揺動軸に沿って直線的に揺動するための手段と、
   を含み、切削中、前記揺動軸が前記回転軸に対して非ゼロ角度の一定角度に保持されていることを特徴とする旋盤。
2. 前記揺動軸が前記回転軸に対して２０°〜７０°の角度で向けられている請求項１記載の旋盤。
3. 前記揺動軸が前記回転軸に対して３０°〜６０°の角度で向けられている請求項１記載の旋盤。
4. 前記揺動軸が前記回転軸に対して４５°の角度で向けられている請求項１記載の旋盤。
5. 前記切削工具を揺動するための前記手段が、前記切削工具の並進揺動を提供する請求項１記載の旋盤。
6. 軸非対称形状をもつ円環形コンタクトレンズを製造するための旋盤であって、
   回転軸を中心にして工作物を回転させるためのスピンドルと、
   切削工具ホルダと、
   前記切削工具ホルダを、回転軸に対して一定の角向きに支持し、前記切削工具ホルダを回転軸に対して一定の角向きに動かし、スピンドルが前記工作物を回転させるとき、前記切削工具ホルダを所定の経路に沿って動かすための可動ベッド手段と、
   前記切削工具ホルダを揺動軸に沿って直線的に揺動するための揺動装置と、
   を含み、前記揺動装置において、切削中、揺動軸が回転軸に対して一定の斜角で保持されていることを特徴とする旋盤。
7. 前記斜角が２０°〜７０°である請求項６記載の旋盤。
8. 前記斜角が３０°〜６０°である請求項６記載の旋盤。
9. 前記斜角が４５°である請求項６記載の旋盤。
10. 軸非対称形状を有する製品を工作物から製造するための、切削工具を備えた旋盤を使用して実施する方法であって、
    回転軸を中心にして工作物を回転させる工程と、
    工作物が回転するとき、切削工具を、工作物に隣接する所定の経路に沿って動かす工程と、
    を含み、切削工具を所定の経路に沿って動かす工程を、互いに横向きになる少なくとも二つの移動軸に沿う切削工具の並進動によって実施し、
    切削中、切削工具を所定の経路に沿って動かすとき、切削工具を、回転軸に対して斜めの不変の角度で保持されている揺動軸に沿って直線的に揺動する工程をさらに含むことを特徴とする方法。
11. 前記斜角が２０°〜７０°である請求項１０記載の方法。
12. 前記斜角が３０°〜６０°である請求項１０記載の方法。
13. 前記斜角が４５°である請求項１０記載の方法。

Images