專利名稱：連續(xù)或斷續(xù)切削型快速刀具伺服裝置中的使用一個或多個機加工刀頭的刀具的制作方法
連續(xù)或斷續(xù)切削型快速刀具伺服裝置中的使用 一個或多個機加工刀頭的刀具
背景技術(shù)：
機加工技術(shù)可用于制造諸如微復(fù)制工具之類的多種工件。微復(fù)制工具 常用于擠出工藝、注塑成型工藝、壓花工藝、澆注工藝等，以形成微復(fù)制 結(jié)構(gòu)。所述微復(fù)制結(jié)構(gòu)可以包括光學(xué)薄膜、研磨薄膜、粘合劑薄膜、具有
自配合外形的機械緊固件、或具有尺寸相對較小(例如小于約1000微米的
尺寸)的微復(fù)制結(jié)構(gòu)的任何模制或擠出部件。
也可采用多種其它方法制成微結(jié)構(gòu)。例如，可通過澆鑄和固化工藝將 母模工具的結(jié)構(gòu)從母模工具轉(zhuǎn)移到諸如聚合材料帶材或巻材之類的其它介
質(zhì)上，以形成生產(chǎn)工具；然后使用這一生產(chǎn)工具制造微復(fù)制結(jié)構(gòu)?？梢允?用其它方法(例如電鑄)來復(fù)制所述母模工具。制造導(dǎo)光薄膜的另一備選 方法是直接切削或機加工透明材料，以形成適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。其它技術(shù)包括化 學(xué)蝕刻、噴砂處理或其它隨機表面改性技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一刀具組件包括刀架和致動器，所述致動器被構(gòu)造為 用于連接到刀架并與控制器進行電通信。具有至少一個微結(jié)構(gòu)的刀頭被連 接到所述致動器并且被裝配為相對于待切削工件運動，并且所述致動器使 所述刀頭在進入和離開所述工件的X方向上運動。在切削所述工件期間， 所述刀頭與所述工件不連續(xù)地接觸，并且在切削所述工件期間的至少一部 分期間，所述刀頭上的所述微結(jié)構(gòu)與所述工件接觸。
根據(jù)本發(fā)明的第二刀具組件包括刀架和致動器，所述致動器被構(gòu)造為 用于連接到刀架并與控制器進行電通信。具有至少一個微結(jié)構(gòu)的刀頭被連 接到所述致動器并且被裝配為相對于待切削工件運動，并且所述致動器使 所述刀頭在進入和離開所述工件的X方向上運動。在切削所述工件期間，
5所述刀頭與所述工件連續(xù)地接觸，并且在切削所述工件期間的至少一部分 期間，所述刀頭上的所述微結(jié)構(gòu)與所述工件接觸。
作為另外一種選擇，所述第一和第二刀具組件可以包括被布置為彼此 接近并且同時切削所述工件的多個刀頭。這些多個刀頭中的每一個都可以 可選地具有至少一個微結(jié)構(gòu)。


附圖包含在本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，并且與具體實施方 式一起闡明本發(fā)明的優(yōu)點和原理。在附圖中，
圖1為在工件中形成微結(jié)構(gòu)的刀具系統(tǒng)的示意圖； 圖2為示出用于刀具的坐標(biāo)系的示意圖； 圖3為用于刀具的示例性PZT堆的示意圖； 圖4A為刀頭座的透視圖4B為用于保持刀頭的刀頭座的前視圖4C為刀頭座的側(cè)視圖4D為刀頭座的俯視圖5A為刀頭的透視圖5B為刀頭的前視圖5C為刀頭的仰視圖5D為刀頭的側(cè)視圖6A為斷續(xù)切削型FTS致動器的俯視剖視圖6B為示出PZT堆在致動器中的位置的前剖視圖6C為致動器的前視圖； 圖6D為致動器的后視圖； 圖6E為致動器的俯視圖6F和6G為致動器的側(cè)視圖6H為致動器的透視圖7A為示出斷續(xù)切削的示意圖，其中進入工件的入錐角基本上等于離 開工件的出錐角；圖7B為示出斷續(xù)切削的示意圖，進入工件的入錐角小于離開工件的出
錐角；
圖7C為示出斷續(xù)切削的示意圖，進入工件的入錐角大于離開工件的出 錐角；
圖8為概念性地示出可使用具有斷續(xù)切削FTS致動器的所述刀具系統(tǒng) 制造的微結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖9A為機加工刀頭的透視圖； 圖9B為機加工刀頭的前視圖9C為機加工刀頭的仰視圖9D為機加工刀頭的側(cè)視圖10A為具有機加工刀頭和非機加工刀頭的多頭工具的側(cè)視圖； 圖10B為具有多個機加工刀頭的多頭工具的側(cè)視圖11A和11B分別為概念性地示出微結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和透視圖，所述微 結(jié)構(gòu)可以使用具有FTS致動器的刀具系統(tǒng)制造，所述FTS致動器具有至少 一個機加工刀頭；以及
圖12A和12B分別為概念性地示出微結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和透視圖，所述微 結(jié)構(gòu)可以使用具有斷續(xù)切削FTS致動器的刀具系統(tǒng)制造，所述FTS致動器 具有至少一個機加工刀頭。
具體實施方式
刀具系統(tǒng)
常規(guī)的金剛石車削技術(shù)在巳公開的PCT專利申請W0 00/48037中有所 描述，該PCT專利申請的全文以引用的方式并入本文。在這些方法中使用 的用于制成光學(xué)薄膜或其它薄膜的裝置可包括快速伺服工具。如W0 00/48037中所公開的，快速工具伺服裝置(FTS)是被稱為PZT堆的固態(tài)壓 電(PZT)裝置，PZT堆快速調(diào)整連接到所述PZT堆的刀具的位置。如下面詳 細(xì)描述的，F(xiàn)TS使刀具可以在坐標(biāo)系內(nèi)的各個方向做高精確度的高速運 動。
圖1為在工件內(nèi)制造微結(jié)構(gòu)的刀具系統(tǒng)10的示意圖。微結(jié)構(gòu)可以包括 位于制品表面上的、凹入制品表面的或從制品表面凸起的任何類型、形狀以及尺寸的結(jié)構(gòu)。例如，使用本說明書描述的致動器和系統(tǒng)制造的微結(jié)構(gòu)
可具有1000微米節(jié)距、100微米節(jié)距、1微米節(jié)距，甚至約200納米(nm) 的亞光學(xué)波長節(jié)距。作為另外一種選擇，在其它實施例中，微結(jié)構(gòu)的節(jié)距 可大于1000微米，這與其切削方法無關(guān)。提供這些尺寸僅為示例性目的， 使用本說明書描述的致動器和系統(tǒng)制造的微結(jié)構(gòu)可具有使用該系統(tǒng)可加工 的范圍內(nèi)的任何尺寸。
利用計算機12控制系統(tǒng)10。計算機12包括(例如)下列元件存儲 器14，其用于存儲一個或多個應(yīng)用程序16;第二存儲器18，其提供非易 失性信息存儲；輸入裝置20，其用于接收信息或命令；處理器22，其用于 執(zhí)行存儲在存儲器14或第二存儲器18中的、或來自另一個來源的應(yīng)用程 序；顯示裝置24，其用于輸出視頻信息顯示；以及輸出裝置26，其用于以 其它形式輸出信息，例如用于輸出音頻信息的揚聲器或用于輸出信息硬拷 貝的打印機。
利用刀頭44對工件54執(zhí)行切削加工。在使用驅(qū)動器和編碼器56 (例 如由計算機12控制的電動機)轉(zhuǎn)動工件54時，致動器38控制刀頭44的 運動。在此實例中，工件54被顯示為輥形的；然而，工件也可以是平面形 式的?？梢允褂每杉庸さ娜魏尾牧?；例如，可利用鋁、鎳、銅、黃銅、鋼 或塑料(例如，丙烯酸樹脂)制成工件。要使用的具體材料可以取決于 (例如)具體的期望應(yīng)用，例如使用加工好的工件制備的各種薄膜。致動 器38和下文所述的致動器可由(例如)不銹鋼或其它材料制成。
致動器38可拆卸地連接到刀架36上，刀架又被安裝到軌道32上。刀 架36和致動器38構(gòu)造為可在軌道32上沿箭頭42所示的X方向和箭頭40 所示的Z方向運動。計算機12通過一個或多個放大器30與刀架36和致動 器38電連接。當(dāng)作為控制器使用時，計算機12控制刀架36沿軌道32的 運動并通過致動器38控制刀頭44的運動，以便加工工件54。如果致動器 具有多個PZT堆，它就可以使用分開的放大器以便分別控制每個PZT堆， 所述PZT堆用于獨立地控制連接在其上的刀頭的運動。如下面詳細(xì)說明 的，計算機12可利用函數(shù)發(fā)生器28向致動器38提供波形，以便在工件 54中加工各種微結(jié)構(gòu)。通過各種部件的協(xié)調(diào)運動完成工件54的機加工。具體地講，在計算機 12的控制下，該系統(tǒng)可通過刀架36的運動協(xié)調(diào)和控制致動器38的運動， 同時協(xié)調(diào)和控制工件在C方向53上的運動以及刀頭44在X方向、Y方向 和Z方向中的一個或多個方向的運動，這些坐標(biāo)將在下面說明。系統(tǒng)通常 使刀架36在Z方向做勻速運動，但也可以使刀架36做變速運動。刀架36 和刀頭44的運動通常與工件54在C方向的運動(如由線條53表示的旋轉(zhuǎn) 運動)同步?？梢岳美缭谟嬎銠C12的軟件、硬件或其組合中執(zhí)行的數(shù) 字控制技術(shù)或數(shù)字控制器(NC)控制所有這些運動。
工件的切削可以包括連續(xù)和不連續(xù)的切削運動。對于輥形的工件，切 削可包括環(huán)繞或圍繞輥的螺旋型切削(有時稱為螺紋切削)或單個圓切 削。對于平面形式的工件，切削可包括在工件上的或圍繞工件的螺旋型切 削或單個圓切削。還可以采用X切削，這種切削涉及接近直線的切削形 式，其中金剛石刀頭可橫向進出工件，但是刀架的整體運動是直線的。切 削也可包括這些運動類型的組合。
在加工完成之后，工件54可用于制備用在多種應(yīng)用中的具有相應(yīng)微結(jié) 構(gòu)的薄膜。這些薄膜的實例包括光學(xué)薄膜、摩擦控制薄膜以及微型緊固件 或其它機械微結(jié)構(gòu)化元件。通常使用涂層工藝制備薄膜，其中將粘稠狀態(tài) 的聚合材料施加到工件上，使其至少部分固化，然后移除。由固化聚合物 材料構(gòu)成的薄膜將具有與工件中的結(jié)構(gòu)基本上相反的結(jié)構(gòu)。例如，工件中 的凹陷導(dǎo)致所得薄膜中的凸起。加工完成后，工件54還可用于制造具有與 刀具中的分立元件或微結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的分立元件或微結(jié)構(gòu)的其它制品。
通過管路48和50使用冷卻流體控制刀架36和致動器38的溫度。溫 度控制單元52能夠使冷卻流體在循環(huán)流過刀架36和致動器38的同時保持 基本恒定的溫度。溫度控制單元52可以是用于控制流體溫度的任何裝置。 冷卻流體可以是油產(chǎn)品，例如低粘度油。溫度控制單元52和冷卻流體的貯 存器46可包括使流體循環(huán)流過刀架36和致動器38的泵，并且通常還包括 使流體散熱的冷卻系統(tǒng)，以使流體保持基本恒定的溫度。使流體循環(huán)并對 其提供溫度控制的冷卻系統(tǒng)和泵系統(tǒng)在本領(lǐng)域是己知的。在某些實施例 中，為使要在工件中加工的材料的表面溫度保持基本恒定，也可以將冷卻 流體施加到工件54。圖2為示出刀具(例如系統(tǒng)10)坐標(biāo)系的示意圖。該坐標(biāo)系示出了刀
頭62相對于工件64的運動。刀頭62可以與刀頭44相同，并且通常連接 到與致動器相連的刀頭座60上。在該示例性實施例中，坐標(biāo)系包括X方向 66、 Y方向68和Z方向70。 X方向66是指沿基本上垂直于工件64的方向 的運動。Y方向68是指沿橫過工件64的方向的運動，例如沿著基本上垂 直于工件64的旋轉(zhuǎn)軸線的方向的運動。Z方向70是指在橫向地沿著工件 64的方向上的運動，例如在基本上平行于工件64的旋轉(zhuǎn)軸線的方向上的 運動。工件的旋轉(zhuǎn)稱為C方向，如在圖1和圖2中用箭頭53表示的方向。 如果工件不是輥形，而是平面形式的，那么Y方向和Z方向就是指沿基本 上垂直于X方向的方向橫過工件的互相垂直方向上的運動。平面形式的工 件可包括(例如)由平面材料制成的轉(zhuǎn)盤或任何其它構(gòu)造。
系統(tǒng)10可用于高精度的高速加工。這一類型的加工必須考慮多種參 數(shù)，例如元件的協(xié)調(diào)速度和工件材料。通常必須與工件材料的熱穩(wěn)定性和 特性一起考慮給定體積的待加工金屬的比能量。有關(guān)加工的切削參數(shù)在下 面的參考文獻中有所描述，這些專利均以引用方式并入本文Machining Data Handbook, Library of Congress Catalog Card No. 66-60051， Second Edition (1972)(《加工數(shù)據(jù)手冊第二版》，國會圖書館目錄卡片 編號No. 66-60051，第二版(1972)) ; Edward Trent and Paul Wright, Metal Cutting, Fourth Edition, Butterworth-Heinemann， ISBN 0_ 7506-7069-X (2000)(《金屬切削》，第四版，作者Edward Trent和 Paul Wright,出版商Butterworth-Heinemann，國際標(biāo)準(zhǔn)圖書編號 ISBN 0-7506-7069-X (2000)) ; Zhang Jin-Hua， Theory and Technique of Precision Cutting, Perg扁n Press, ISBN 0-08-035891-8 (1991) (《精密切削的理論與技術(shù)》，作者Zhang Jin-Hua，出版商Pergamon Press,國際標(biāo)準(zhǔn)圖書編號ISBN 0-08-035891-8 (1991));以及M. K. Krueger et al. ， New Technology in Metalworking Fluids and GrindingWheelsAchievesTenfoldImprovementin Grinding Performance ， Coolant/Lubricants for Metal Cutting and Grinding Conference, Chicago, Illinois, U.S.A., June 7， 2000 (《金屬力口工液 新技術(shù)和磨輪在磨削性能方面獲得十倍改善-金屬切削和磨削使用的冷卻劑/潤滑劑公會》，作者Krueger等人，美國伊利諾斯州芝加哥，2000年6 月7曰)。
PZT堆、刀頭座和刀頭
圖3為用于刀具的示例性PZT堆72的示意圖。PZT堆根據(jù)本領(lǐng)域中已 知的PZT效應(yīng)運行，用于使與其相連的刀頭運動。根據(jù)PZT效應(yīng)，施加到 某些類型材料的電場會使這些材料沿一條軸線伸展，并且沿另一條軸線收 縮。PZT堆通常包括包封在殼體84內(nèi)并裝配在基板86上的多個材料74、 76和78。在該示例性實施例中，材料是易受PZT效應(yīng)影響的陶瓷材料。僅 以示例性目的示出三個盤狀物74、 76和78，但也可以根據(jù)(例如)具體 實施例的要求使用任何數(shù)目的盤狀物或其它材料，以及任何類型的形狀的 材料。柱88附著在盤狀物上，并從殼體84中伸出。可以采用任何PZT材 料制造盤狀物，例如混合的、壓制的和燒結(jié)的鈦酸鋇、鋯酸鉛或鈦酸鉛材 料，以及以所列材料為基體的材料。也可采用(例如)磁致伸縮材料制造 盤狀物。
如線條80和82所示的盤狀物74、 76和78的電連接件為這些盤狀物 提供電場，以使柱88運動。由于PZT效應(yīng)并且基于所施加的電場類型，可 以使柱88進行精確而細(xì)微(例如在幾微米內(nèi))的運動。另外，可以將具有 柱88的PZT堆72的端部緊靠一個或多個貝氏墊圈裝配，所述墊圈為PZT 堆提供預(yù)加負(fù)荷。貝氏墊圈具有一定的柔韌性，以使得柱88和與其連接的 刀頭可以運動。
圖4A-4D為示例性刀頭座90的視圖，如下文所述，所述刀頭座裝配到 PZT堆的柱88上，以便由致動器進行控制。圖4A為刀頭座90的透視圖。 圖4B為刀頭座90的前視圖。圖4C為刀頭座90的側(cè)視圖。圖4D為刀頭座 90的俯視圖
如圖4A-4D所示，刀頭座90包括平面的后表面92、楔形的前表面94 和具有傾斜或楔形側(cè)面的凸出表面98?？?6用于將刀頭座90裝配到PZT 堆的柱上。楔形表面98用于裝配加工工件的刀頭。在該示例性實施例中， 刀頭座90包括平面表面，從而在裝配到PZT堆上時，通過提供更大的接觸 表面積而增強其裝配穩(wěn)定性，并且刀頭座包括楔形前表面，從而減少其質(zhì)量。可利用粘合劑、硬釬焊、軟釬焊、緊固件(例如螺栓)或其它方法將
刀頭座90裝配在PZT堆的柱88上。
可以根據(jù)(例如)具體實施例的要求使用其它構(gòu)造的刀頭座。術(shù)語 "刀頭座"旨在包括用于保持加工工件的刀頭的任何類型的結(jié)構(gòu)。刀頭座
90可采用(例如)下列一種或多種材料制造燒結(jié)的碳化物、氮化硅、碳
化硅、鋼、鈦、金剛石、或人造金剛石材料。優(yōu)選地采用剛性輕質(zhì)材料制
造刀頭座90。
圖5A-5D為示例性刀頭100的視圖，通過使用(例如)粘合劑、硬釬 焊、軟釬焊或其它方法將所述刀頭固定到刀頭座90的表面98上。圖5A為 刀頭100的透視圖。圖5B為刀頭100的前視圖。圖5C為刀頭100的仰視 圖。圖5D為刀頭100的側(cè)視圖。如圖5A-5D所示，刀頭100包括側(cè)面 104、楔形和傾斜的前表面106和用于將刀頭固定到刀頭座90的表面98上 的底面102。在致動器的控制下，利用刀頭100的前部105加工工件。刀 頭100可采用(例如)金剛石塊制成。
斷續(xù)切削FTS致動器
在切削期間，利用斷續(xù)切削FTS致動器使刀頭與工件不連續(xù)地接觸， 以制造小型微結(jié)構(gòu)，從而形成不相鄰的微結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可用來制造薄膜 光導(dǎo)、微流體結(jié)構(gòu)、分段粘合劑、磨料制品、光學(xué)擴散片、高對比度光學(xué) 屏幕、光重定向薄膜、抗反射結(jié)構(gòu)、光混合膜和裝飾薄膜。
致動器可以具有其它優(yōu)點。例如，制造小到肉眼不可見的結(jié)構(gòu)。例 如，這類結(jié)構(gòu)減少了對液晶顯示器中用于隱藏光提取結(jié)構(gòu)的擴散片的需 要。在光導(dǎo)上方使用交叉的BEF (增強亮度)薄膜也會產(chǎn)生光混合作用， 這種光混合作用與這些小型結(jié)構(gòu)一起消除了對擴散層的需要。另一個優(yōu)點 是可制成線形或圓形的光提取結(jié)構(gòu)。例如，線形的光提取結(jié)構(gòu)可與常規(guī)的 冷陰極熒光燈(CCFL)光源結(jié)合使用。圓形的光提取結(jié)構(gòu)可以形成在中心點 位于通常放置LED的位置處的圓弧上。另一個優(yōu)點涉及編程和結(jié)構(gòu)布局， 其中所有結(jié)構(gòu)均無需如同連續(xù)的凹槽一樣地沿單根線布置?？赏ㄟ^布置沿 著結(jié)構(gòu)的間距、與結(jié)構(gòu)正交的間距以及深度，來確定性地調(diào)整光提取結(jié)構(gòu) 的面密度。此外，可優(yōu)選地通過選擇切削面的角度或半角來形成光提取角 度。
12例如，這些結(jié)構(gòu)的深度可以在0至35微米的范圍內(nèi)，并且更典型地在 0至15微米的范圍內(nèi)。對于輥形的工件，利用工件圍繞C軸旋轉(zhuǎn)的每分鐘 轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)、 FTS的響應(yīng)時間以及輸入FTS的波形來控制任何單個結(jié)構(gòu)的長 度。例如，可將結(jié)構(gòu)長度控制在1至200微米。對于螺旋型切削，也可以 將與凹槽正交的間距(節(jié)距)編程為1至1000微米。如下面所示，制造這 些結(jié)構(gòu)的刀頭將錐入(taper in)和錐出(taper out)材料，由此形成結(jié) 構(gòu)，結(jié)構(gòu)的形狀由RPM、 FTS的響應(yīng)時間和輸入FTS的波形、心軸編碼器的 分辨率和金剛石刀頭的間隙角(例如，最大值為45度)控制。間隙角可包 括刀頭的刀面角。結(jié)構(gòu)可具有任何類型的三維形狀，例如對稱的、非對稱 的、半-半球狀的、棱柱形的和半橢球形的形狀。
圖6A-6H為用于實現(xiàn)斷續(xù)切削微復(fù)制系統(tǒng)和工藝的示例性致動器110 的視圖。術(shù)語"致動器"指使得刀頭基本上在X方向運動以加工工件的任 何類型的致動器或其它裝置。圖6A為致動器110的俯視剖視圖。圖6B為 示出PZT堆在致動器110中的位置的前剖視圖。圖6C為致動器110的前視 圖。圖6D為致動器110的后視圖。圖6E為致動器110的俯視圖。圖6F和 6G為致動器110的側(cè)視圖。圖6H為致動器110的透視圖。為了清楚起 見，圖6C-6H中去掉了致動器110的一些細(xì)節(jié)。
如圖6A-6H所示，致動器110包括能夠保持X方向PZT堆118的主體 112。將PZT堆118連接到裝有刀頭135的刀頭座136上，以使刀頭在如箭 頭138所示的X方向運動。PZT堆118可以是如圖3所示的示例性PZT堆 72。刀頭座136和位于刀頭座136上的刀頭135可以采用如圖4A-4D所示 的刀頭座和如圖5A-5D所示的刀頭。主體112還包括兩個小孔114和 115，這兩個小孔用于利用例如螺栓將主體可拆卸地裝配到刀架36上，從 而在計算機12控制下加工工件54。
PZT堆118牢固地裝配在主體112上，以得到精確控制刀頭135運動 所需的穩(wěn)定性。在該實例中，刀頭135上的金剛石是相對于豎直面偏移45 度的金剛石，但可以使用其它類型的金剛石。例如，刀頭可為V型的(對 稱或非對稱)、圓頭的、扁平的或曲面刀具。由于不連續(xù)的(非相鄰的) 結(jié)構(gòu)是在金剛石車床上切削出來的，因此它們可為線形或圓形的。此外，由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，因此它們甚至不需要沿單條線或單個圓圈布置。它們可 偽隨機地散布。
通過諸如導(dǎo)軌120和122之類的導(dǎo)軌將PZT堆118固定在主體112 中?？蓛?yōu)選地通過沿軌道滑動PZT堆118的方法從主體112取出PZT堆 118，并且可以利用螺栓或其它緊固件將PZT堆118在主體112中固定就 位。PZT堆118包括用于接收來自計算機12的信號的電連接件130。 PZT 堆118的端蓋包括口 128，該口用于接收來自貯存器46的冷卻流體(例如 油)，使冷卻流體圍繞PZT堆循環(huán)并通過口 132將冷卻流體輸送回貯存器 46，以保持對PZT堆的溫度控制。主體112可包括用于引導(dǎo)冷卻流體流經(jīng) PZT堆118周圍的合適的通道，并且可以利用溫度控制單元52內(nèi)的泵或其 它裝置使冷卻流體循環(huán)。
圖6B為前剖視圖，示出了PZT堆118在主體112中的位置，其中未示 出PZT堆118的端蓋。主體112的每個孔內(nèi)均可包括用于將PZT堆牢固地 保持就位的多根導(dǎo)軌。例如，導(dǎo)軌120、 122、 142和144包圍PZT堆 118，以便在將PZT堆118裝配在主體112中時將PZT堆118牢固地保持就 位。連接到PZT堆118上的端蓋可容納螺栓或其它緊固件，以將PZT堆固 定到導(dǎo)軌120、 122、 142和144中的一根或多根上，并且端蓋還可將PZT 堆118密封在主體112中，以使冷卻流體圍繞PZT堆118循環(huán)。PZT堆118 可包括位于PZT堆118與刀頭座136之間的用于為PZT堆預(yù)加負(fù)荷的一個 或多個貝氏墊圈。
圖7A-7C示出了使用上文所述的示例性致動器和系統(tǒng)對工件進行斷續(xù) 切削加工。具體地講，圖7A-7C示出了使用可變的刀頭入錐角(taper-in angle)和出錐角(taper-out angle)，并且可使用(例如)上文確定的 參數(shù)控制這些角。圖7A-7C分別示出了在利用不同的入錐角和出錐角切削 工件之前和之后的工件的實例。用入A表示入錐角，用A^表示出錐角。術(shù) 語入錐角和出錐角分別表示加工期間刀頭進入工件和離開工件的角度。入 錐角和出錐角不必與刀頭穿過工件移動時的角度一致；相反，它們是指刀 頭接觸和離開工件時的角度。在圖7A-7C中，刀頭和工件可以是(例如) 上文的系統(tǒng)和部件。
14圖7A為示出斷續(xù)切削150的示意圖，其中進入工件153的入錐角基本 上等于離開工件的出錐角。如圖7A所示，刀頭151進入工件153的入錐角 152基本上等于出錐角154 ( X A^ X J 。刀頭151進入工件153的持續(xù)時間 決定了所得微結(jié)構(gòu)的長度L(156)。在使用基本上相等的入錐角和出錐角的 情況下，通過利用刀頭從工件中移除材料可形成基本上對稱的微結(jié)構(gòu) 158。可重復(fù)此過程以制造其它微結(jié)構(gòu)，例如以距離D(162)分開的微結(jié)構(gòu) 160。
圖7B為示出斷續(xù)切削的示意圖，其中進入工件167的入錐角小于離開 工件的出錐角。如圖7B所示，刀頭165進入工件167的入錐角166小于出 錐角168(入入<入*)。刀頭165在工件167內(nèi)的停留時間決定了所得微結(jié) 構(gòu)的長度170。使用小于出錐角的入錐角，通過利用刀頭從工件中移除材 料可形成非對稱的微結(jié)構(gòu)，例如微結(jié)構(gòu)172?？芍貜?fù)此過程制造其它微結(jié) 構(gòu)，例如以距離176分開的微結(jié)構(gòu)174。
圖7C為示出斷續(xù)切削的示意圖，其中進入工件181的入錐角大于離開 工件的出錐角。如圖7C所示，刀頭179進入工件181的入錐角180大于出 錐角182(入入>^出)。刀頭179在工件181內(nèi)的停留時間決定了所得微結(jié) 構(gòu)的長度184。使用大于出錐角的入錐角，通過利用刀頭從工件中移除材 料可形成非對稱的微結(jié)構(gòu)，例如微結(jié)構(gòu)186?？芍貜?fù)此過程制造其它微結(jié) 構(gòu)，例如以距離190分開的微結(jié)構(gòu)188。
在圖7A-7C中，用于表示入錐角和出錐角的虛線(152、 154、 166、 168、 180、 182)旨在概念性地示出刀頭進入和離開工件的角度實例。切削 工件時，刀頭可以以任何具體類型的路徑運動，例如直線路徑、彎曲路 徑、包括直線運動和彎曲運動的組合路徑、或由具體函數(shù)限定的路徑?？?選擇刀頭的路徑以優(yōu)化諸如完成工件切削的總時間等切削參數(shù)。
圖8為概念性地示出微結(jié)構(gòu)的示意圖，微結(jié)構(gòu)的制造方法可為使用 具有斷續(xù)切削FTS致動器的刀具系統(tǒng)制造機加工工件，然后使用此工件制 造結(jié)構(gòu)化薄膜。如圖8所示，制品200包括頂面202和底面204。頂面202 包括斷續(xù)切削的凸起微結(jié)構(gòu)，例如結(jié)構(gòu)206、 208和210，這些微結(jié)構(gòu)的制 造方法可為使用上文的致動器和系統(tǒng)加工工件，然后使用此工件利用涂 層技術(shù)制造薄膜或制品。在該實例中，每個微結(jié)構(gòu)都具有長度L，順序切削的微結(jié)構(gòu)以距離D分開，相鄰的微結(jié)構(gòu)以節(jié)距P分開。采用這些參數(shù)的 實例見上文。
機加工刀頭
圖9A-9D為示例性機加工刀頭220的視圖，例如通過使用粘合劑、硬 釬焊、軟釬焊或其它方法將該刀頭固定到刀頭座90的表面98上。圖9A為 刀頭220的透視圖。圖9B為刀頭220的前視圖。圖9C為刀頭220的仰視 圖。圖9D為刀頭220的側(cè)視圖。如圖9A-9D所示，刀頭220包括側(cè)面 224、楔形和傾斜的前表面226、以及用于將刀頭固定到刀頭座90的表面 98上的底面222。例如通過使用上述系統(tǒng)，在致動器的控制下使用刀頭 220的前部225加工工件。刀頭220是機加工的，因為其在前部225上還 具有微結(jié)構(gòu)(例如，凹槽)221和223，并且微結(jié)構(gòu)221和223也用于加工 工件。機加工刀頭中的微結(jié)構(gòu)可具有上文確定的那些示例性形狀和尺寸中 的一種或多種。
刀頭220可采用例如金剛石塊制成。可優(yōu)選地通過離子銑削法制造微 結(jié)構(gòu)221和223以及機加工刀頭上的其它微結(jié)構(gòu)。制造刀頭上的微結(jié)構(gòu)的 其它技術(shù)包括微放電加工、磨削、研磨、燒蝕或其它方法，以在刀頭中產(chǎn) 生刻痕或結(jié)構(gòu)。作為另外一種選擇，可以用常規(guī)方式研磨金剛石，并且將 其精確地結(jié)合在一起，以制造具有微結(jié)構(gòu)化結(jié)構(gòu)的宏觀工具。出于示例性 目的，在刀頭的每一側(cè)上僅顯示一個微結(jié)構(gòu)；刀頭可具有任何數(shù)目的微結(jié) 構(gòu)，并且這些微結(jié)構(gòu)可具有任何形狀、尺寸和構(gòu)造。作為凹陷微結(jié)構(gòu)的另 外一種選擇，機加工刀頭可具有凸出微結(jié)構(gòu)、或凹陷微結(jié)構(gòu)和凸出微結(jié)構(gòu) 的組合。
可以在刀頭座(例如刀頭座90)上裝配一個以上的刀頭，以加工工 件。在這些實施例中，多個刀頭加工工件，從而在工件中基本上同時地制 造出多個微結(jié)構(gòu)，例如，平行的微結(jié)構(gòu)化凹槽或其它結(jié)構(gòu)。圖10A為具有 機加工刀頭和非機加工刀頭的示例性多頭工具230的側(cè)視圖。多頭工具 230包括非機加工刀頭234和具有微結(jié)構(gòu)238的機加工刀頭236。刀頭234 和刀頭236裝配在諸如刀頭座90的表面98等基座232上，并且可使用 (例如)粘合劑、硬釬焊、軟釬焊或其它方法裝配。刀頭234和236之間的距離240確定了使用多頭工具230加工的相應(yīng)微結(jié)構(gòu)的節(jié)距，其中微結(jié) 構(gòu)與刀頭236對應(yīng)，刀頭236具有在其內(nèi)加工出的其它微結(jié)構(gòu)。
圖10B為具有多個機加工刀頭的多頭工具242的側(cè)視圖。多頭工具 242包括具有微結(jié)構(gòu)248的機加工刀頭246和具有微結(jié)構(gòu)252的另一個機 加工刀頭250。刀頭246和250裝配在諸如刀頭座90的表面98等基座244 上，并且可使用例如粘合劑、硬釬焊、軟釬焊或其它方法裝配。刀頭246 和250之間的距離254確定了使用多頭工具242加工的相應(yīng)微結(jié)構(gòu)的節(jié) 距，其中微結(jié)構(gòu)與刀頭246和250對應(yīng)，刀頭246和250中的每一個分別 具有在其內(nèi)加工出的、對應(yīng)于微結(jié)構(gòu)248和252的其它微結(jié)構(gòu)。
在圖IOA和圖10B中，出于示例性目的，僅示出了兩個刀頭；多頭工 具可具有任何數(shù)目的刀頭。多個刀頭在加工后可以具有相同或不同的微結(jié) 構(gòu)，并且這些各個微結(jié)構(gòu)可以具有上文所確定的那些示例性形狀和尺寸中 的一種或多種。多頭工具中刀頭之間的距離(節(jié)距240和254)可以包括 1000微米節(jié)距、100微米節(jié)距、1微米節(jié)距，甚至約200納米(nm)的亞光 學(xué)波長節(jié)距。作為另外一種選擇，在其它實施例中，多頭工具中刀頭之間 的節(jié)距可以大于1000微米。在具有兩個以上刀頭的多頭工具中，相鄰刀頭 之間的節(jié)距可以相同或不同。提供這些尺寸僅為示例性目的，使用本說明 書描述的致動器和系統(tǒng)制成的微結(jié)構(gòu)可具有使用系統(tǒng)可加工的范圍內(nèi)的任 何尺寸。
如上所述，可以使用任何機加工刀頭或多頭工具加工工件54，并且機 加工工件可用于制造薄膜。例如，可以使用上述系統(tǒng)和工藝以連續(xù)切削或 斷續(xù)切削的方式對工件進行機加工。圖11A和11B分別為概念性地示出微 結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和透視圖，微結(jié)構(gòu)可以使用具有FTS致動器的刀具系統(tǒng)制 造，所述FTS致動器具有至少一個機加工刀頭。如圖11A和圖11B所示， 工件260具有連續(xù)機加工的微結(jié)構(gòu)262 (例如，凹槽)，微結(jié)構(gòu)262中具 有機加工微結(jié)構(gòu)263和微結(jié)構(gòu)264 (例如，脊)，這些機加工微結(jié)構(gòu)由相 應(yīng)機加工刀頭中的微結(jié)構(gòu)形成。
圖12A和12B分別為概念性地示出微結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和透視圖，所述微 結(jié)構(gòu)可以使用具有斷續(xù)切削FTS致動器的刀具系統(tǒng)制造，F(xiàn)TS致動器具有 至少一個機加工刀頭。如圖12A和12B所示，工件270具有不連續(xù)(斷續(xù)切削的)機加工微結(jié)構(gòu)272 (例如，不與其它機加工結(jié)構(gòu)鄰接的結(jié)構(gòu))，
微結(jié)構(gòu)中具有機加工微結(jié)構(gòu)273和微結(jié)構(gòu)274 (例如，脊)，這些機加工 微結(jié)構(gòu)由相應(yīng)機加工刀頭中的微結(jié)構(gòu)形成。如上所述以及如圖7A-7C所 示，使用一個或多個機加工刀頭的斷續(xù)切削可改變刀頭進入和離開工件的 出錐角和入錐角。
如上所述，然后可將工件260和工件270用于涂層技術(shù)中，以制造具 有與工件260和工件270的微結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的相反微結(jié)構(gòu)的薄膜或其它制 n卩o
使用上述機加工刀頭來制造微復(fù)制制品(例如薄膜)，可以提供多種 有利的或期望的結(jié)構(gòu)。例如，可將其用于光照方向的光管理應(yīng)用、柔化截 光角、偽批量楔式提取，或者在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生裝飾效果(例如在斷續(xù)切 削小透鏡上的彩虹效果)。另外，較大宏觀結(jié)構(gòu)上的微結(jié)構(gòu)可為重定向光 提供另外的自由度。
雖然己結(jié)合示例性實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域 的技術(shù)人員來說，本發(fā)明的多種修改形式都是顯而易見的，本專利申請旨 在包括任何修改或變化。例如，在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，刀架、致 動器和刀頭可以使用各種類型的材料和構(gòu)造。本發(fā)明應(yīng)當(dāng)僅受限于權(quán)利要 求書及其等于物。
權(quán)利要求
1. 一種刀具組件，包括刀架；致動器，其被構(gòu)造為連接到所述刀架并與控制器電通信；以及刀頭，其具有至少一個微結(jié)構(gòu)，所述刀頭連接到所述致動器并且被裝配為相對于待切削的工件運動，所述致動器使所述刀頭在進入和離開所述工件的X方向上運動，其中，在切削所述工件期間，所述刀頭與所述工件不連續(xù)地接觸，并且在切削所述工件期間中的至少一部分期間，所述刀頭上的所述微結(jié)構(gòu)與所述工件接觸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中所述刀頭中的所述微結(jié)構(gòu)包 括凹槽。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中在切削所述工件期間，所述 刀頭進入所述工件的入錐角基本上等于所述刀頭離開所述工件的出 錐角。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中在切削所述工件期間，所述 刀頭進入所述工件的入錐角小于所述刀頭離開所述工件的出錐角。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中在切削所述工件期間，所述 刀頭進入所述工件的入錐角大于所述刀頭離開所述工件的出錐角。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中所述致動器包括輸送流經(jīng)所 述致動器的用于冷卻所述致動器的流體的口 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，還包括設(shè)置在所述刀頭附近的至 少一個另外的刀頭，其中在切削所述工件期間中的至少一部分期 間，所述刀頭和所述另外的刀頭同時與所述工件接觸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的刀具組件，其中所述另外的刀頭具有至少一 個微結(jié)構(gòu)，并且在切削所述工件期間中的至少一部分期間，所述另 外的刀頭上的所述微結(jié)構(gòu)與所述工件接觸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中所述刀架被構(gòu)造為使所述致 動器在沿所述工件的Z方向上以基本恒定的速度運動。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中所述工件由以下材料中的一 種組成鋁、鎳、銅、黃銅、鋼或塑料。
11. 一種刀具組件，包括刀架；致動器，其被構(gòu)造為連接到所述刀架并與控制器電通信；以及 刀頭，其具有至少一個微結(jié)構(gòu)，所述刀頭連接到所述致動器并且被 裝配為相對于待切削的工件運動，所述致動器使所述刀頭在進入和離開所述工件的X方向上運動，其中，在切削所述工件期間，所述刀頭與所述工件連續(xù)地接觸，并 且在切削所述工件期間的至少一部分期間，所述刀頭上的所述微結(jié) 構(gòu)與所述工件接觸。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的刀具組件，其中所述刀頭中的所述微結(jié)構(gòu)包括凹槽。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的刀具組件，其中所述致動器包括輸送流經(jīng)所述致動器的用于冷卻所述致動器的流體的口。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的刀具組件，還包括設(shè)置在所述刀頭附近的至 少一個另外的刀頭，其中在切削所述工件期間的至少一部分期間， 所述刀頭和所述另外的刀頭同時與所述工件接觸。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的刀具組件，其中所述另外的刀頭具有至少一 個微結(jié)構(gòu)，并且在切削所述工件期間的至少一部分期間，所述另外 的刀頭上的所述微結(jié)構(gòu)與所述工件接觸。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的刀具組件，其中所述刀架被構(gòu)造為使所述致 動器在沿所述工件的Z方向上以基本恒定的速度運動。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的刀具組件，其中所述工件由以下材料中的一 種組成鋁、鎳、銅、黃銅、鋼或塑料。
18. —種切削工件的方法，所述方法包括提供刀架；提供致動器，所述致動器被構(gòu)造為連接到所述刀架并與控制器電通 信；使具有至少一個微結(jié)構(gòu)的刀頭位于所述致動器中，以便相對于待切 削的工件運動；以及構(gòu)造所述致動器，以使所述刀頭在進入和離開所述工件的X方向上 運動以便切削所述工件，并且通過所述控制器向所述致動器提供信 號，使得在切削所述工件期間的至少一部分期間，所述刀頭上的所 述微結(jié)構(gòu)與所述工件接觸。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括在切削所述工件期間，保持 所述刀頭與所述工件連續(xù)地接觸。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括在切削所述工件期間，保持 所述刀頭與所述工件不連續(xù)地接觸，并且在切削所述工件期間，改 變所述刀頭進入所述工件的入錐角和所述刀頭離開所述工件的出錐 角。
全文摘要
一種刀具組件，包括刀架和致動器，所述刀架能夠沿待切削工件橫向運動，所述致動器具有至少一個機加工刀頭并且可以具有其它刀頭。所述致動器控制所述刀頭沿進入和離開所述工件的X方向運動，從而在所述工件中制造連續(xù)或不連續(xù)的微結(jié)構(gòu)。所述機加工刀頭在微結(jié)構(gòu)內(nèi)提供微結(jié)構(gòu)。所述機加工工件可用于制造微結(jié)構(gòu)化制品，例如具有不相鄰的小透鏡的薄膜。
文檔編號B23Q15/00GK101432096SQ200780015569
公開日2009年5月13日 申請日期2007年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月10日
發(fā)明者戴爾·L·埃內(nèi)斯, 艾倫·B·坎貝爾, 馬克·E·加迪納 申請人:3M創(chuàng)新有限公司