(57)【要約】【課題】多品種少量のレンズを、所望の研磨精度で効率よく製造する。【解決手段】被加工材１を研削および研磨してレンズを作製するレンズの加工装置において、レンズの半球分の表面形状が内面に加工され、被加工材１を挟持する一対の金型２ａ，２ｂと、一対の金型２ａ，２ｂの間隙に研磨液を滴下するための供給ノズル６と、一対の金型２ａ，２ｂと供給ノズル６とに、超音波振動を加えるための手段５ａ，５ｂとを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材を研削および研磨してレンズを作製するレンズの加工装置において、
前記レンズの半球分の表面形状が内面に加工され、前記被加工材を挟持する一対の金型と、
該一対の金型の間隙に研磨液を滴下するための供給ノズルと、
前記一対の金型と前記供給ノズルとに、超音波振動を加えるための手段と
を備えたことを特徴とするレンズの加工装置。
【請求項２】
前記研磨液は、研削加工に用いる砥粒と、研磨加工に用いる研磨材とを含み、
前記研磨液を前記一対の金型の間隙から洗い流すための洗浄液が格納された複数のタンクを備え、
前記複数のタンクが、切替弁を介して前記供給ノズルに接続されていることを特徴とする請求項１に記載のレンズの加工装置。
【請求項３】
前記一対の金型の対向する面が摺動するように回転し、前記被加工材を押し付けることにより、前記被加工材を擂潰する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１および２に記載のレンズの加工装置。
【請求項４】
レンズ材料から四角柱の複数の被加工材を切り出す第１工程と、該被加工材の角を除去して略球形の被加工材に研削する第２工程と、該略球形の被加工材を所望の精度の球形に研磨する第３工程とを含むレンズの加工方法において、
前記第２工程は、
前記レンズの半球分の表面形状が内面に加工され、前記略球形の被加工材を挟持する一対の金型の間隙に、供給ノズルから研削用の砥粒を滴下し、
前記一対の金型の対向する面が摺動するように、前記一対の金型のそれぞれを回転させ、
前記一対の金型と前記供給ノズルとに、超音波振動を加え、
前記第３工程は、
前記一対の金型の間隙に、前記供給ノズルから研磨用の研磨材を滴下し、
前記一対の金型と前記供給ノズルとに、超音波振動を加えることを特徴とするレンズの加工方法。
【請求項５】
前記第２工程は、粒径が５〜５０μｍの砥粒を滴下し、周波数２０ｋＨｚ、出力３０Ｗ〜２００Ｗの超音波振動を加えることを特徴とする請求項４に記載のレンズの加工方法。
【請求項６】
前記第３工程は、粒径が０．０１〜１μｍの研磨材を滴下し、周波数１００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ、出力３０Ｗ〜２００Ｗの超音波振動を加えることを特徴とする請求項４または５に記載のレンズの加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズの加工装置およびその加工方法に関し、より詳細には、多品種少量のレンズを効率よく製造するためのレンズの加工装置およびその加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学レンズの製作には、様々な加工方法が用いられてきた。例えば、金型を用いたプレス成形、微小回転工具による切削、研磨などの機械的な加工方法が知られている。また、球状レンズの加工方法として、バレル加工機、ラッピング装置、両面研磨装置等が知られている。バレル加工機は、回転するバレル内にレンズ加工片と研磨材とを投入し、加工片と研磨材の衝突により加工片の粗加工を行う。ラッピング装置は、砥粒が付着したラップ盤の上に、被加工材を保持するワークホルダを配置し、ラップ盤の回転とワークホルダの往復動とによりと被加工材の研削を行う（例えば、特許文献１参照）。両面研磨装置は、上下の定盤の間に被加工材を挟持し、研磨材を滴下しながら上下の定盤を回転させ、被加工材の両面研磨を行う（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
一方、マイクロレンズの加工方法として、微小なポリッシャを被加工面に押しつけ、研磨砥粒を掛けながら超音波振動を付加する超音波援用研磨装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。超音波振動により、研磨加工痕の微小化が可能となり、口径０．５〜３ｍｍφ程度のマイクロレンズを製作することができる。
【０００４】
ここでは、球状レンズを製作する工程を、レンズ材料から立方体の被加工材を切り出す（切削）第１工程と、立方体の角を除去して被加工材を略球形に研削する第２工程と、略球形に被加工材を所望の精度の球形に研磨する第３工程とに分ける。バレル加工機、ラッピング装置は主として第２工程に、両面研磨装置、超音波援用研磨装置は主として第３工程に用いられる。また、バレル加工機、ラッピング装置および両面研磨装置は、少品種大量生産に向いているが、超音波援用研磨装置は多品種少量の生産に向いている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３２９０２号公報
【特許文献２】特開２００２−３２６１５４号公報
【非特許文献１】鈴木浩文、「超音波援用マイクロ非球面研磨法の開発」、日本機械学会誌、Vol.108, No.1040, p.36, ２００５年７月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
第２工程における研削は、被加工材を略球形に加工するだけでよいので、レンズ表面の形状誤差は数μｍ〜十数μｍ程度でよい。一方、第３工程における研磨は、レンズ表面の形状誤差を所望の精度以下に加工する必要が有り、例えば、マイクロレンズの場合、０．１μｍ程度の研磨精度が必要と成る。従って、球状レンズの製作では、切削、研削および研磨のそれぞれに専用の工具を使用して加工するために、工程が複雑になり、製作コストが高いという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、多品種少量のレンズを、所望の研磨精度で効率よく製造するためのレンズの加工装置およびその加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被加工材を研削および研磨してレンズを作製するレンズの加工装置において、前記レンズの半球分の表面形状が内面に加工され、前記被加工材を挟持する一対の金型と、該一対の金型の間隙に研磨液を滴下するための供給ノズルと、前記一対の金型と前記供給ノズルとに、超音波振動を加えるための手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレンズの加工装置において、前記研磨液は、研削加工に用いる砥粒と、研磨加工に用いる研磨材とを含み、前記研磨液を前記一対の金型の間隙から洗い流すための洗浄液が格納された複数のタンクを備え、前記複数のタンクが、切替弁を介して前記供給ノズルに接続されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１および２に記載のレンズの加工装置において、前記一対の金型の対向する面が摺動するように回転し、前記被加工材を押し付けることにより、前記被加工材を擂潰する手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、レンズ材料から四角柱の複数の被加工材を切り出す第１工程と、該被加工材の角を除去して略球形の被加工材に研削する第２工程と、該略球形の被加工材を所望の精度の球形に研磨する第３工程とを含むレンズの加工方法において、前記第２工程は、前記レンズの半球分の表面形状が内面に加工され、前記略球形の被加工材を挟持する一対の金型の間隙に、供給ノズルから研削用の砥粒を滴下し、前記一対の金型の対向する面が摺動するように、前記一対の金型のそれぞれを回転させ、前記一対の金型と前記供給ノズルとに、超音波振動を加え、前記第３工程は、前記一対の金型の間隙に、前記供給ノズルから研磨用の研磨材を滴下し、前記一対の金型と前記供給ノズルとに、超音波振動を加えることを特徴とする。
【００１２】
前記第２工程は、粒径が５〜５０μｍの砥粒を滴下し、周波数２０ｋＨｚ、出力３０Ｗ〜２００Ｗの超音波振動を加え、前記第３工程は、粒径が０．０１〜１μｍの研磨材を滴下し、周波数１００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ、出力３０Ｗ〜２００Ｗの超音波振動を加えることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、多品種少量のレンズを、所望の研磨精度で効率よく製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、研削および研磨を連続して行うことができ、多品種少量のレンズを効率よく製造することができるレンズの加工装置およびその加工方法を提供する。
【００１５】
図１に、本発明の一実施形態にかかるレンズの加工装置を示す。被加工材１は、超音波ホーン２ａ，２ｂに挟持されており、これを球状レンズに加工する方法を説明する。超音波ホーン２ａ，２ｂは、半球のお椀の形状を有し、その内面が球状レンズの表面形状に加工された金型である。ここで、所望の球状レンズの表面誤差を０．１μｍとすると、お椀の内面の表面精度は、数μｍ程度でよい。超音波ホーン２ａ，２ｂは、回転擂潰機構３ａ，３ｂに接続され、回転軸４ａ，４ｂの軸中心の周りを回転する。すなわち、超音波ホーン２ａ，２ｂの対向する面が、挟持されている被加工材１に対して、摺動するように回転する。回転擂潰機構３ａ，３ｂは、超音波ホーン２ａ，２ｂを、被加工材１に適当な圧力で押し付けることにより、被加工材１を擂り潰すように研削する。
【００１６】
また、回転擂潰機構３ａ，３ｂには、超音波振動発生機構５ａ，５ｂが接続されており、回転軸４ａ，４ｂを介して、超音波ホーン２ａ，２ｂに超音波振動を与えることができる。
【００１７】
図２に、超音波ホーンの詳細な構成を示す。金型材料は、例えば、チタン合金、ステンレス、黄銅鋼、鉄、スズ、鉛、およびそれらの合金を用いる。超音波ホーン２ａ，２ｂの内面は、図２（ａ）に示すように、それぞれ所望の球状レンズの半球分の形状を有する。超音波ホーン２ａ，２ｂの対向する面は、間隙２１を有する。例えば、鋳鉄製のホーンと０．１ｍｍ径のコロイダルシリカを用いる場合は、約１ｍｍ程度である。この間隙は、ホーンの材質、研磨液の種類に応じて調整する。
【００１８】
回転擂潰機構３ａ，３ｂに固定した際に、超音波ホーン２ａ，２ｂの上部の間隙から、供給ノズル６から滴下される研磨液が供給され、対向する下部の間隙から、研磨液が排出される（図２（ｂ））。また、超音波ホーン２ａ，２ｂの内面には、図２（ｃ）に示すように、研磨液が被加工材１を覆うように、スパイラル状の溝２２を形成してもよい。
【００１９】
砥粒タンク７、研磨材タンク８、水洗タンク９は、切替弁を介して、供給ノズル６に接続され、研磨液を供給する。砥粒タンク７には、研削用の砥粒と分散材が格納され、研磨材タンク８には、研磨用の研磨材と分散材が格納されている。水洗タンク９は、超音波ホーン２ａ，２ｂの間隙の中の研磨液を洗い流すための水または純水が格納されている。また、供給ノズル６にも超音波振動発生機構５ａ，５ｂが接続されており、供給する砥粒、研磨材に超音波振動を加えることができる。
【００２０】
さらに、レンズの加工装置には、超音波ホーン２ａ，２ｂから排出された研磨液を受ける受け皿９を備え、回収された研磨液を廃液タンク１０に排出したり、再利用のために砥粒タンク７、または研磨材タンク８に戻すことができる。回転擂潰機構３ａ，３ｂ、超音波振動発生機構５ａ，５ｂおよび切替弁は、制御機構１１により制御される。
【００２１】
最初に、上述した第２工程における研削について説明する。被加工材１は、レンズ材料から切り出された四角柱である。制御機構１１は、砥粒タンク７から研削用の砥粒を供給ノズル６に供給し、回転擂潰機構３ａ，３ｂを制御して超音波ホーン２ａ，２ｂを回転させる。なお、砥粒タンク７を種類の異なる複数の砥粒に応じて用意し、研削の進行状況に応じて砥粒を変えてもよい。研削加工では、精度が要求されないことから、滴下される砥粒の粒径は５〜５０μｍ程度のものを使用し、例えば、１０〜５０μｍ程度のカーボランダム、ダイヤモンド粉末等を使用することができる。
【００２２】
また、第２工程では研削能力を優先して加工する。制御機構１１は、超音波振動発生機構５ａ，５ｂを制御して、超音波ホーン２ａ，２ｂに、周波数約２０ｋＨｚの超音波振動を加える。超音波振動の周波数は、砥粒の径に応じて調整し、粒径が小さいほど周波数を高くするのが望ましい。超音波ホーン２ａ，２ｂを、被加工材１に１００ｋＰａ以下の圧力で押し付け、超音波振動を加えることにより、被加工材１を擂り潰すように研削する。
【００２３】
また、供給ノズル６に超音波振動を加えることにより、研磨液に超音波振動を与え、これを超音波ホーン２ａ，２ｂの間隙２２に滴下する。超音波振動を与えられた研磨液は、超音波ホーン２ａ，２ｂと被加工材１との間隙に浸透しやすく、超音波の衝撃力により、被加工材１の研削能力を高められる。
【００２４】
次に、上述した第３工程における研磨について説明する。被加工材１は、第２工程において略球形に加工されている。制御機構１１は、切替弁を砥粒タンク７から研磨材タンク８に切り替え、研磨用の研磨材を供給ノズル６に供給する。また、超音波振動発生機構５ａ，５ｂを制御して、超音波ホーン２ａ，２ｂおよび供給ノズル６に超音波振動を加える。研磨加工では、精度が要求されることから、滴下される研磨材の粒径は０．０１〜１μｍ程度のものを使用し、例えば、０．０５〜０．１μｍ程度のコロイド状研磨材であるコロイダルシリカを使用する。
【００２５】
第３工程では研磨精度を優先して加工するので、回転擂潰機構３ａ，３ｂが超音波ホーン２ａ，２ｂを被加工材１に押し付ける圧力、超音波ホーン２ａ，２ｂの回転速度は、第２工程よりも小さくする。制御機構１１は、超音波振動発生機構５ａ，５ｂを制御して、超音波ホーン２ａ，２ｂに、周波数約３ＭＨｚの超音波振動を加える。超音波振動の周波数は、砥粒の径に応じて調整し、粒径が小さいほど周波数を高くするのが望ましく、第３工程では１００ｋＨｚ〜３ＭＨｚである。
【００２６】
制御機構１１は、超音波ホーン２ａ，２ｂおよび供給ノズル６に、約３ＭＨｚの超音波振動を加えることにより、研磨材に超音波振動を与え、これを超音波ホーン２ａ，２ｂの間隙２２に滴下する。超音波振動を与えられた研磨材が被加工材１に接触すると、メカノケミカル反応によって被加工材１が研磨される。研磨時間等を調整することにより、表面の形状誤差５０ｎｍを確保することができる。従って、超音波ホーン２ａ，２ｂの金型の精度は、所望の球状レンズの表面誤差を０．１μｍに対して、数μｍ程度でよいことがわかる。
【００２７】
本実施形態によれば、１台のレンズ加工装置により、研削および研磨を連続して行うことができ、多品種少量の球状レンズを効率よく製造することができる。また、本実施形態のレンズ加工装置は、球状レンズの加工だけではなく、超音波ホーンの内面形状を変更することによって、非球面レンズの加工にも適用できることは言うまでもない。以下に、ＫＴａＯ3結晶を用いたレンズの製造に、本実施形態を適用した例を示す。なお、本実施例は例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変更または改造を行うことができる。
【実施例】
【００２８】
球状レンズを製作する工程を、ＫＴａＯ3結晶から四角柱または略立方体の被加工材を切り出す第１工程と、四角柱または略立方体の角を除去して被加工材を略球形に研削する第２工程と、略球形に研削された被加工材を所望の精度の球形に研磨する第３工程とを順次説明する。
【００２９】
第１工程では、広く用いられている内周刃式結晶切断装置を用いる。内周刃式結晶切断装置は、水または油を、被加工材の切断する部分に振りかけ、ブレードを回転させることにより、結晶を切断する。本実施例では、ブレード厚０．５ｍｍの内周刃と、界面活性剤入りの水を使用する。
【００３０】
約４０ｍｍ角の立方体のＫＴａＯ3結晶を、内周刃式結晶切断装置のセラミックス台に、接着剤で固定し、２ｍｍ厚のウェハ、２０枚に切断する。このウェハをセラミックス台ごと取り外し、ウェハを重ねて接着し、９０度回転させて、さらに切断する。これにより、２ｍｍ角で長さ４０ｍｍの短冊状の結晶を得ることができる。短冊状の結晶をセラミックス台から取り外し、水平に重ねて再度セラミックス台に固定する。これを切断することにより、約２ｍｍ角の略立方体のＫＴａＯ3結晶が、８０００個得られる。切断面の粗さは、内周刃のダイヤモンド径と切断速度とに依存し、本実施例における条件では、２０〜８０μｍの範囲である。
【００３１】
第２工程は、上述の約２ｍｍ角の略立方体のＫＴａＯ3結晶を、図１に示したレンズの加工装置を用いて研削する。ＫＴａＯ3結晶１個を、超音波ホーン２ａ，２ｂに挟持させる。砥粒タンク７から平均粒径３０μｍのＣＧ砥粒を水に分散させた研磨液を、供給ノズル６から供給する。超音波ホーン２ａ，２ｂに、周波数約２０ｋＨｚの超音波振動を加え、回転擂潰機構３ａ，３ｂを制御して、超音波ホーン２ａ，２ｂをそれぞれ逆方向に１０ｒｐｍで回転させる。
【００３２】
１５分間の研削加工で、角がとれた略球形ないし球状のＫＴａＯ3結晶を得ることができる。超音波振動発生機構５ａ，５ｂの出力は、加工初期が３０Ｗ〜２００Ｗの範囲で、被加工材１の形状によって調整する。超音波ホーン２ａ，２ｂの被加工材１に対する圧力は、１００ｋＰａ以下の圧力に調整する。砥粒は、受け皿９から砥粒タンク７に回収して再利用することができるが、長時間の使用により、研削能力が落ちるので、所望の研削能力が維持できるように適宜交換する。研削加工が終了すると、研磨液を水洗タンク９からの水に切り換え、３分間後に超音波振動と回転を停止する。
【００３３】
第３工程は、図１に示したレンズの加工装置を用いて、第２工程で研削されたＫＴａＯ3結晶を所望の研磨精度で研磨する。研削されたＫＴａＯ3結晶１個を、超音波ホーン２ａ，２ｂに挟持させる。研磨材タンク８から平均粒径０．１μｍのコロイダルシリカを水に分散させた研磨液を、供給ノズル６から供給する。超音波ホーン２ａ，２ｂに、周波数約１００〜５００ｋＨｚの超音波振動を加え、回転擂潰機構３ａ，３ｂを制御して、超音波ホーン２ａ，２ｂをそれぞれ逆方向に２０ｒｐｍで回転させる。
【００３４】
２０分間の研磨加工で、球状のＫＴａＯ3結晶を得ることができる。超音波振動発生機構５ａ，５ｂの出力は、加工初期が３０Ｗ〜２００Ｗの範囲で、被加工材１の形状によって調整する。コロイダルシリカは、受け皿９から研磨材タンク８に回収して再利用することができるが、長時間の使用により、ｐＨが変化し研磨能力が落ちるので、所望の研磨能力が維持できるように適宜交換する。研磨加工が終了すると、研磨液を水洗タンク９からの水に切り換え、３分間後に超音波振動と回転を停止する。
【００３５】
球状のＫＴａＯ3結晶を顕微鏡で観察すると、スクラッチは観測されず、表面の形状誤差５０ｎｍを確保することができる。
【００３６】
研磨液は、所望する表面の形状誤差と経済性、生産性から選択するものであり、本実施形態のレンズの加工装置の性能、機械的損傷の影響がない範囲で、他の研磨液を用いることができる。また、超音波ホーンを被加工材に対して攪拌らいかい運動させることにより、より均一に研削および研磨できることは明らかである。さらに、複数の超音波ホーンを同時に駆動するように構成すれば、複数のレンズを同時に加工することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態にかかるレンズの加工装置を示す構成図である。
【図２】超音波ホーンの詳細な構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  被加工材
２  超音波ホーン
３  回転機構
４  回転軸
５  超音波振動発生機構
６  供給ノズル
７  砥粒タンク
８  研磨材タンク
９  水洗タンク
１０  廃液タンク
１１  制御機構
【図１】
2009154276.tif 000003
【図２】
2009154276.tif 000004