CN101456142B - 加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种加工装置，包括加工部、致动器、壳、预载荷机构、力传感器和检测单元。加工部包括切割刃。致动器被配置为使加工部轻微地振动。壳被配置为容纳致动器。预载荷机构设置在壳内并被配置为向致动器施加预载荷。力传感器设置在切割刃和预载荷机构之间。检测单元基于力传感器的输出检测加工部的切割力。本发明能够以高精度检测切割力，并且能够以高精度在工件表面上形成微型和复杂的三维图案。

Description

加工装置

相关申请的交叉参考

本发明含有于2007年12月14日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2007-324022的主题，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及用于在将被加工的工件表面上形成微型图案的加工装置。

背景技术

近年来，用于在工件表面形成微型图案的技术由于可以藉此重新产生功能表面而成为信息产业的支柱。例如，菲涅耳透镜、微棱镜和微透镜阵列显示出光学功能且由此广泛应用于信息产业。例如，通过在工件表面形成三维微型图案并将三维微型图案分布在FPD(平板显示器)的显示部分的结构上，可以提供具有光源亮度分布校正功能、抗反射功能、虹/波纹防止功能等的显示器。还形成三维微型图案用于增加期待作为清洁能源的太阳能电池的发电。

近年来，可以购得各种FPD，诸如小型或中型FPD至大面积FPD，这同样适于太阳能电池。为了提供光学功能或增加发电而形成的三维微型图案根据装置尺寸和目的而变化。因此，需要形成用于各种目标规格的微型图案的技术。

此外，该技术还可应用于通过在发动机活塞滑动部分上形成微型图案并减少接触面积来抑制摩擦力，从而改进摩擦学功能。为了改进界面功能，还可以形成具有由微型图案改进的拒水性的自洁表面，或改进诸如导热性、边界层流、轴承、防锈和粘附力的特性。另外，该技术现在广泛应用于生物领域中的种植、生物传感器等。

作为形成微型图案的技术，需要可以在大面积上实时形成高精度表面图案的加工技术。作为形成三维微型图案的电学、光学技术，已知诸如电子束刻绘方法、激光刻绘方法和全息方法的多种方法。这些方法有效地产生具有微米至亚微米级的极短空间波长的结构(例如，非反射表面、衍射光栅和微透镜阵列)，但不适用于产生复杂的三维图案。

同时，由于精确运动控制和测量/高精度加工刀具的进步，当前的超精度切割/研磨加工技术已经能够容易地以亚微米级以下的精度来执行加工。这种加工的典型实例是单点金刚石切割加工方法，其涉及在使用具有单个非常锋利切割刃的单晶金刚石刀具的同时通过使用高精度加工机器来加工软金属等。在上述方法中，可以通过使用FTS(快速刀具伺服)技术或FTC(快速刀具控制)技术来高精度和高速地三维控制刀具相对于机件的运动。与电学、光学加工方法相比，金刚石切割加工方法适用于形成具有从几十微米到几百微米的空间波长的三维微型图案。

在普通的切割加工中，由车床控制包括两个正交轴和一个旋转轴的三个轴，从而在工件上形成目标图案。另一方面，FTC是通过具有高辨晰度、刚性和响应度的机构(诸如压电设备)来控制两个正交轴中的一个的技术。与普通的技术加工不同，具有以高速控制刀具特性的FTC技术具有精确测量在加工期间作用于刀具的力用于产生具有高精度微型图案的重要目的。

在这点上，例如，日本专利申请公开第2006-159299号已经提出了具有致动器、刀架、位移传感器和力传感器被整体形成的结构的加工装置。致动器由用于驱动刀具的压电装置(PZT)构成。刀架连接至致动器并支撑刀具。位移传感器与致动器同轴设置并测量刀具的位移。力传感器测量施加给刀具的力。致动器使刀具轻微振动从而加工工件的表面。检测切割力作为通过从加工期间检测到的力传感器的输出中减去不执行加工时检测到的力传感器的输出而获得的值。不执行加工时检测到的力传感器的输出是指当使刀具轻微振动但不与工件接触时检测到的力传感器的输出。因此，刀具的切割力的加工加工监控成为可能。

发明内容

在日本专利申请公开第2006-159299号公开的加工装置中，力传感器设置在以预载荷(preload)状态容纳致动器的PZT壳和支撑PZT壳的基底之间。因此，力传感器不仅检测刀具的惯性质量或振动质量，而且还检测包括致动器和PZT壳的系统的惯性质量或振动质量。结果，变得很难以高精度检测刀具的切割力，由此导致在工件由诸如铝或铜的软金属制成的情况下难以进行加工控制。

鉴于上述情况，需要能够以高精度检测切割力的加工装置。

根据本发明的一个实施例，提供一种加工装置，包括加工部、致动器、壳、预载荷机构、力传感器和检测装置。加工部包括切割刃。致动器被配置为使加工部轻微振动。壳被配置为容纳致动器。预载荷机构设置在壳内并被配置为向致动器施加预载荷。力传感器设置在切割刃和预载荷机构之间。检测装置基于力传感器的输出检测加工部的切割力。

在根据本发明实施例的加工装置中，力传感器设置在切割刃和预载荷机构之间。因此，力传感器仅检测基于加工部、致动器和壳中加工部的惯性质量的力分量。因此，因为可以减少没有执行加工时检测的力传感器的输出，所以当不执行加工时检测的力传感器的输出与加工期间检测的输出之间的差增加，从而可以显著改进切割力的检测精度。

在根据本发明实施例的加工装置中，预载荷机构包括与致动器接触并相对于壳被驱动的头部件以及设置在壳和头部件之间且被配置为将头部件压紧致动器的弹性件，并且力传感器设置在切割刃和头部件之间。因为力传感器不检测弹性件的反作用力，所以力传感器可以以高精度检测加工期间的切割力。

加工部包括被配置为保持切割刃的保持部。在这种情况下，可以在保持部和头部件之间设置力传感器。可选地，可以在切割刃和保持部之间设置力传感器。另外，可选地，可将力传感器嵌入保持部中。通过该结构，力传感器可以检测仅基于切割刃的惯性质量或切割刃和保持部的惯性质量的切割力。因此，可以更加改进切割力的检测精度。

另外，根据本发明的另一个实施例，提供一种加工装置，包括加工部、致动器、壳、预载荷机构、力传感器、位移传感器和控制装置。加工部包括切割刃。致动器被配置为使加工部轻微振动。壳被配置为容纳致动器。预载荷机构设置在壳内并被配置为向致动器施加预载荷。力传感器设置在切割刃和预载荷机构之间。位移传感器被配置为检测加工部的位移。控制装置基于力传感器的输出和位移传感器的输出来驱动致动器。

由于通过该结构可以使不执行加工时检测到的力传感器的输出变小，所以可以通过增加不执行加工时检测到的力传感器的输出与加工期间检测到的输出之间的差来显著改进切割力的检测精度。此外，可以基于位移传感器的输出来对致动器的驱动执行反馈控制，从而可以以高精度执行加工控制。

如上所述，根据本发明的实施例，因为可以以高精度检测切割力，所以能够以高精度在工件表面上形成微型和复杂的三维图案。

如附图所示，本发明的这些以及其他目的、特征和优点将根据以下其最佳模式实施例的详细描述而变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的加工装置的示意性结构图；

图2是示出力传感器灵敏度的示例性测量的实验结果的示图；

图3是示出图1所示加工装置的结构的修改的示图；

图4A～图4C是用于示出通过使用图1所示加工装置加工工件的过程的示图；

图5是示出在检测工件和刀具的接触状态的加工中测量出的力传感器的示例性输出的示图；

图6是用于示出基于空闲时的力传感器的输出(空闲信号)和加工期间其输出(测量信号)来计算切割力的方法的示图；

图7是示出根据比较实例1的加工装置的结构的示意性截面图；

图8是示出根据比较实例2的加工装置的结构的示意性结构图；

图9是示出图7所示加工装置中的力传感器输出与图8所示加工装置中的力传感器输出之间的关系的示图；

图10是示出可以在图7所示加工装置中引起的力传感器的示例性输出的示图；

图11A和图11B是每个均示出根据本发明实施例的加工装置中的力传感器的示例性输出的示图；

图12A和图12B是每个均示出根据本发明实施例的加工装置中的力传感器的不同示例性输出的示图；

图13A和图13B是每个均示出根据本发明实施例的加工装置中的力传感器的又一不同示例性输出的示图；

图14A和图14B是每个均示出根据本发明第二实施例的加工装置的加工部分的示例性结构的示图；

图15A和图15B是每个均示出根据本发明第二实施例的加工装置的加工部分的不同示例性结构的示图；

图16是示出根据本发明第三实施例的加工装置的结构的截面图；

图17是包括使用根据本发明实施例的加工装置加工的成形辊的光学片形成设备的示意性结构图；以及

图18A和图18B是每个均示出使用图17所示形成设备产生的光学片的示例性结构的透视图。

具体实施方式

以下，将参考附图来描述本发明的实施例。

(第一实施例)

(加工装置的结构)

图1是示出根据本发明第一实施例的加工装置的结构的示意性截面图。

该实施例的加工装置1包括刀具2、使刀具2轻微振动的致动器3、支撑致动器3的壳体4、设置在壳体4内并向致动器3施加预载荷的预载荷机构5、设置在刀具2和预载荷机构5之间的力传感器6、检测刀具2相对于壳体4的位移的位移传感器7以及驱动致动器3的控制器15。

壳体4具有圆柱形状且其内形成由大直径孔部4a和小直径孔部4b组成的阶梯孔。壳体4的大直径孔部4a容纳致动器3和预载荷机构5。中间部分形成有圆形通孔8a的第一盖件8通过多个螺钉件M1附接至大直径孔部4a的开口，而通过多个螺钉件M2附接至小直径孔部4b的开口的第二盖件9的柱形部分9a插入壳体4的小直径孔部4b。第一盖件8和第二盖件9与壳体4一体构成本发明的“壳”。

致动器3由具有高刚性和优良响应度的压电装置构成。具体地，在本实施例中，致动器3由圆柱PZT(锆钛酸铅)叠层体构成并与形成在壳体4和第二盖件9的柱形部分9a之间的环形空间同心地进行设置。致动器3的外部和内部圆周表面分别与壳体4的内壁表面和柱形部分9a的外部圆周表面相对，其间分别设置有特定长度以上的间隙。

致动器3以预载荷状态支撑在壳体4的阶梯孔的阶梯部4s和构成预载荷机构5的头部件10之间。预载荷机构5包括头部件10和弹性件11。头部件10在其前表面侧上形成有以预定空隙与第一盖件8的通孔8a配合的凸起部分10a。头部件10在其背面侧与致动器3的顶端接触。

弹性件11由波形垫圈构成并以压缩状态位于第一盖件8与头部件10的凸起部分10a的外圆周之间。通过该结构，通过弹性件11的弹力将头部件10压紧致动器3，由此沿压缩方向向致动器3施加预载荷。施加给致动器3的预载荷由螺钉件M1的紧固量来调节。通过由波形垫圈构成弹性件11，可以使弹性件11变薄，并且可以以小变形量生成大弹力。注意，可以使用诸如板簧的其他弹簧件或其他橡胶件来替代波形垫圈。

刀具2由切割刃12和保持切割刃12的柄13构成。切割刃12由具有锋利刀边的单晶金刚石形成，但是切割刃的形状和材料不限于此。切割刃12和柄13通过例如铜焊固定在适当位置。刀具2由刀具架14保持。注意，柄13和刀具架14对应于本发明的“保持部”。

注意，刀具被制备成各种形状并且可根据将获得的加工图案来拆开。具体地，如稍后所述，当加工工件W的表面以获得镜状表面时，使用顶端形成有特定弯曲度的、用于镜状加工的刀具29(参见图4A)，而当在工件W的表面上形成三维微型图案时，使用切割刃12具有上述锋利顶端的刀具2(以下还称为“微刀具(microtool)”)。

刀具2由刀具架14使用诸如螺丝钉的固定方法来保持。刀具架14具有L形(尽管并不限于此)。另外，柄13和刀具架14可以集成。可选地，可以采用仅具有切割刃12而不具有柄13和刀具架14的结构。切割刃12、柄13和刀具架14构成本发明的“加工部”。

力传感器6设置在切割刃12和预载荷机构5之间。在该实施例中，力传感器6设置在刀具架14和头部件10之间。因为当力传感器6设置在切割刃12和预载荷机构5之间时，在驱动致动器3期间弹性件11中产生的反作用力不被力传感器6所检测，所以可以改进力传感器6的力检测灵敏度。

力传感器6设置在头部件10的凸起部分10a的表面上，使得其中心部分位于从致动器3的轴中心部分延伸的线上。注意，例如，可以将力传感器6嵌入头部件10的表面而不是设置在其上。

力传感器6由具有高刚性和优良响应度的压电装置构成。具体地，在本实施例中，力传感器6由压电装置(PZT)叠层体构成。向控制器15提供力传感器6的输出。注意，为了增强力传感器6的检测精度，期望构成力传感器6的压电装置设置为预载荷状态。

力传感器6被形成为具有比由波形垫圈构成的弹性部件11小的外部尺寸。通过该结构，抑制了加工期间对切割刃12的力矩的影响，从而可以改进力传感器6的力检测精度。

这里，由于当使用商业上供应的压电装置作为力传感器6时，力检测灵敏度通常不清楚，所以需要灵敏度校准。校准方法的实例如下。

具体地，从预载荷压电装置悬挂砝码(weight)以释放预载荷，从而减少预载荷。在稳定压电装置的输出之后，立刻升高砝码以向压电装置重新提供减少的预载荷。随后，将压电装置中产生的电荷(电压)放大预定增益并进行测量。多次执行该任务，同时改变砝码质量以藉此获得砝码质量与压电装置的输出电压之间的关系，如图2所示。压电装置的灵敏度对应于图2所示近似线的斜度。在图2的实例中，压电装置的灵敏度为约445mV/N。

同时，位移传感器7设置在第二盖件9的柱形部分9a的顶端。柱形部分9a被构造为传感器保持器并在其轴中心部分具有通孔9b。位移传感器7附接至通孔9b的端部，以与头部件10的背面的中心部分相对。在该实施例中，位移传感器7由电容型位移计构成。向控制器15提供位移传感器7的输出。

接下来，将详细描述控制器15。

控制器15包括功能产生器16、锁相放大器17、位移传感器放大器18、计算机19和PZT驱动电路20。

功能产生器16产生用于使致动器3以轻微振幅振动的正弦波信号，将产生的正弦波信号输入锁相放大器17和PZT驱动电路20。基于从功能产生器16输入的正弦波信号，PZT驱动电路20产生用于使致动器3以轻微振幅振动的驱动信号并将驱动信号输入致动器3。注意，致动器3轻微振动的方向是致动器3的轴向(图1中的X轴方向)。

锁相放大器17连接至功能产生器16和电荷放大器21。锁相放大器17经由电荷放大器21检测力传感器6的AC输出并放大具有与从功能产生器16输入的正弦波相同频率的输出信号。经由A/D转换板22向计算机19输入力传感器6的放大输出信号。

A/D转换板22附接至计算机19并连接至锁相放大器17和位移传感器放大器18。A/D转换板22将由锁相放大器17放大的力传感器6的输出信号和由位移传感器放大器18放大的位移传感器7的输出信号从模拟信号转换为数字信号，并将经过转换的信号传输到计算机19。

计算机19具有预定的内置计算单元和存储器，并且能够基于力传感器6的输出信号和位移传感器7的输出信号来执行多种分析，多种分析具体包括切割刃12与工件W的表面的接触状态的检测、切割力检测、表面加工图案检测等。尽管未图示，用于显示分析结果的显示器连接到计算机19。注意，计算机19是本发明的“检测装置”的特定实例。

计算机19存储将形成在工件W表面上的三维微型图案的加工轮廓。计算机19使PZT驱动电路20引起致动器3沿轴向(图1中的X轴方向)伸展和缩进，由此控制刀具2靠近工件W的表面或远离工件W的表面。从计算机19经由D/A转换板23和加法器24向PZT驱动电路20输入用于控制的控制信号。通过基于加工轮廓执行致动器3的伸展/缩进控制，在工件W的表面上形成预定三维微型图案。注意，致动器3的伸展/缩进在弹性件11的弹性变形量的范围内。

D/A转换板23附接至计算机19并连接至加法器24。D/A转换板23将从计算机19传输的数字信号转换为模拟信号，并向加法器24输入该信号。加法器24将来自D/A转换板23的输出信号与来自功能产生器16的输出信号相加，并向PZT驱动电路20输入相加的信号。

同时，用作致动器3的压电装置(PZT)示出非线性电压位移特性，其原因在于滞后现象(hysteresis)。滞后是位移相对于电压的响应是非线性的且电压升高时的响应与电压下降时的响应不匹配的现象。非线性电压位移特性的另一个原因在于徐变(creep)。徐变是即使在施加特定电压时位移也随时间逐渐改变以保持特定位置的现象。因此，需要检测刀具的位置并执行反馈控制。

在这种情况下，通过如图3所示将PID控制器25设置在PZT驱动电路20和D/A转换板23之间，可以基于由位移传感器7测量的刀具2的位移来执行致动器3的驱动的反馈控制。注意，在图3中，省略了功能产生器16、锁相放大器17、电荷放大器21和A/D转换板22。

PID控制器25包括：比较器26，执行来自D/A转换板23的输出信号和来自位移传感器放大器18的输出信号之间的比较操作；PID控制部27，由比例控制块27a、积分控制块27b和微分控制块27c构成；以及加法器28，将控制块27a～27c的输出信号相加。

在图3所示的控制器15中，PID控制器25执行来自计算机19的指令值和位移传感器7的输出信号之间的比较操作，并将控制信号传输到PZT驱动电路20，由此能够对致动器3的驱动执行反馈控制。注意，PID控制器25是本发明的“控制装置”的结构实例。

如上所述构造的实施例的加工装置1位于XYZ台(未示出)上，且被构造为可沿图1所示的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向(高度方向)相对于工件W移动。加工装置1通过XYZ台移动到工件W表面上的任意加工位置。工件W可以围绕轴心Wa旋转驱动。注意，可以使用XY台来替代XYZ台。在这种情况下，工件沿Z轴方向相对于加工装置1移动。

接下来，将描述该实施例的如此构造的加工装置1的操作。

在XYZ台(未示出)上，加工装置1在X轴方向上与工件W表面上的加工位置相距特定距离以上处于静止状态。随后，加工装置1通过以下过程加工工件W。

图4A～图4C是示出用于通过加工装置1加工工件W的过程的示意图。工件W附接至车床主轴R。工件W的轴心Wa与主轴R的轴心一致。

(镜状加工)

如图4A所示，首先将具有2.0mm曲率半径的镜状加工刀具29附接至加工装置1。随后，使工件以其轴心Wa作为中心旋转预定旋转次数，并使用镜状加工刀具29将工件W的表面加工为镜状。

在表面粗糙且由此不适于在其上形成三维微型图案的情况下执行镜状加工过程以使工件W的表面变平滑。注意，在镜状加工过程中，期望使用难以磨损且在其顶端具有相对较大半径的刀具以使得镜状加工之后的工件表面的表面粗糙度变小。

接下来，如图4B和图4C所示，代替刀具29，具有锋利顶端的切割刃12的微刀具2附接至加工装置1，并加工工件W的表面以在其上形成三维微型图案。

图4B示出了检测刀具2与工件W的接触(in-contact)状态的过程。刀具2与工件W的接触状态由力传感器6来检测，以下将描述其方法。注意，在接触状态检测过程中，停止工件W的旋转。

(接触状态检测)

首先，参考图1，经由PZT驱动电路20向致动器3输入由功能产生器16产生的任意频率的正弦波信号(电压信号)。因此，致动器3在X轴方向上以输入频率振动。由于固定刀具2的头部件10与致动器3完全接触，所以致动器3的伸展/缩进通过头部件10向刀具2施加轻微振幅的振动位移。

接下来，通过设置在刀具2和头部件10之间的力传感器6检测刀具2被施加的振动分量。将检测信号传输至电荷放大器21，随后电荷放大器21向锁相放大器17输出含有该频率的的信号和噪音分量的信号。同时，向锁相放大器17输入由功能产生器16产生的正弦波。在锁相放大器17中，从功能产生器16输出的正弦波信号被用作用于从力传感器6的输出信号中去除噪音信号的参考信号。

经由A/D转换板22向计算机19输入锁相放大器17的输出。锁相放大器17的输出量与力传感器6的振幅成比例。计算机19存储并加工力传感器6的该检测信号作为在刀具2与工件W接触之前获得的信号Sw(以下也称为“空闲信号”)。

随后，加工装置1通过XYZ台沿X轴方向移动，从而使刀具2与工件W靠近。当使刀具2与工件W接触时，从锁相放大器17向计算机19输出那时所获得的力传感器6的输出。从刀具2与工件W接触之前力传感器6的测量振幅增加，因此锁相放大器17的输出增加。图5示出了当刀具2与工件W接触时获得的锁相放大器17的示例性输出信号。从图5可以看出，当刀具2与工件W接触时，锁相放大器17的输出增加。

基于锁相放大器17的输出，计算机19检测刀具2与工件W的接触状态。刀具2与工件W的接触位置存储在计算机19中。因此，设置了刀具2和工件W的初始位置。根据该实施例，由于驱动频率分量单独被力传感器6和锁相放大器17高灵敏地检测，所以也以高灵敏度测量接触位置。

(微型图案加工)

接下来，如图4C所示，加工工件W的表面以在其上形成三维微型图案。

首先，在将刀具2从与工件W的接触位置拉开预定距离之后，驱动主轴R且工件W旋转。尽管未示出，但主轴R设置有旋转编码器。向构成加工装置1的控制器15的计算机19输入旋转编码器的脉冲信号。

接着，在通过驱动致动器3使刀具2轻微振动的同时，刀具2被移动到在上述接触状态检测过程中检测到的接触位置。使用从旋转编码器输入的脉冲信号作为时钟，计算机19基于存储的加工轮廓使致动器3伸展和缩进。因此，如图4C所示，相对于工件W的表面执行切割加工。此外，通过将刀具2相对于工件W沿工件W的轴向移动，可以在工件W上沿其纵向(图1的Z轴方向)形成预定的微型图案。

在该实施例中，逐步加工工件W的表面以在其上形成预定三维微型图案。例如，当沿工件的圆周方向在多行上形成凹槽状图时，对每行进行多次用于形成凹槽的加工。具体地，通过首先在每行中形成沿圆周方向具有预定间距的每个均具有预定长度的图案P且随后在配置在相同行上的图案P之间形成类似图案来沿圆周方向形成连续的凹槽。

注意，除上述实例之外，例如，还可以使用多个刀具来在工件W的表面上形成预定三维微型图案，使得同时形成多行图案。

(切割力的检测)

在加工工件W的过程中检测施加给刀具2的切割力。以下，将描述切割力检测方法。

参考图1，经由电荷放大器21、锁相放大器17和A/D转换板22向计算机19输入在加工工件W期间测量到的力传感器6的输出。计算机19存储并加工力传感器6的该检测信号作为在加工工件W期间测量出的信号Sp(以下也称为“测量信号”)。

切割力是在刀具2的切割刃12的形状被转移到工件W上时产生的力。因此，可以通过从加工期间测量出的输出中减去空闲期间测量出的力的输出来获得切割力。具体地，通过从测量信号Sp中减去空闲信号Sw的分量，可以获得对应于刀具2相对于工件W的切割力的信号Sc(以下也称为“切割力信号”)。通过计算机19计算切割力。

图6是示出力传感器6的示例性输出的示图并说明了测量信号Sp、空闲信号Sw和切割力信号Sc之间的关系。随着测量信号Sp和空闲信号Sw之间差的增加，检测切割力信号Sc的精度变高。因此，空闲信号Sw的输出越小，检测切割力的精度越高。

根据该实施例，由于如上所述力传感器6设置在刀具2和头部件10之间，所以力传感器6仅检测基于刀具2的惯性质量的力分量。因此，可以使在没有执行加工时检测到的力传感器6的输出(空闲信号Sw)变小。因此，由于在没有执行加工时检测到的力传感器6的输出与加工期间检测到的输出(测量信号Sp)之间差的增加，可以提高切割力信号Sc的检测精度。

(该实施例的效果)

以下，将给出分别与图7和图8所示加工装置的示例性结构相比该实施例的效果的描述。

图7是示出根据比较实例1的加工装置31的结构的示意性截面图。图8是示出根据比较实例2的加工装置32的结构的示意性截面图。注意，在图7和图8中，由相同的参考符号表示对应于加工装置1中那些部件的部件，并且省略其描述。

在图7中所示的加工装置31中，力传感器33设置在支撑刀具2的头部件10和致动器3之间。在图8所示的加工装置32中，容纳致动器3的壳体4通过多个螺钉件35固定至基底34。力传感器36设置在壳体4和基底34之间，并根据螺钉件35的紧固力来设置力传感器36的预载荷。

图9是示出根据比较实例1的加工装置31的力传感器33(传感器I)的空闲信号输出和根据比较实例2的加工装置32的力传感器36(传感器II)的空闲信号输出的示图。

在根据比较实例2的加工装置32中，由于力传感器36设置在基底34和壳体4之间，所以在刀具2的轻微振动期间无意地检测到不仅作用于刀具2而且作用于包括支撑刀具2的致动器3和容纳致动器3的壳体4的惯性系统的力。换言之，与刀具2的切割力同时检测到基于致动器3和壳体4的质量分量的力。因此，如图9所示，力传感器36(传感器II)的输出显示出强加以噪音的波形，导致难以以高精度执行力检测的状态。

另外，在根据比较实例1的加工装置31中，由于力传感器33设置在弹性件11和致动器3之间，所以在刀具2的轻微振动期间，可以检测不含有基于壳体4和致动器3的质量分量的力的力的检测。因此，如图9所示，能够以比力传感器36(传感器II)的输出精度高的精度检测力传感器33(传感器I)的输出。

然而，在根据比较实例1的加工装置31中，由于力传感器33设置在弹性件11和致动器3之间，所以与刀具2的切割力同时无意地检测到弹性件11的反作用力，导致空闲信号Sw的输出增加的麻烦。测量信号Sp的输出随着工件硬度的增加而增加，但是当工件由诸如铜或铝相对柔软的材料制成时不能获得大的输出。

因此，如果在加工软工件时空闲信号Sw的输出较大，则可能不能获得空闲信号Sw和测量信号Sp之间的差，由此导致不能获得期望切割力信号Sc的担心。图10是示出这种情况实例的示图。当空闲信号Sw(虚线)和测量信号Sp(点划线)的输出近似相同时，不能以高精度检测切割力信号Sc(实线)。

关于这点，在根据本实施例的加工装置1中，由于力传感器6设置在刀具2和头部件10之间，所以弹性件11的反作用力没有影响。因此，根据该实施例，可以使空闲信号Sw的输出比比较实例1和2小。因此，由于可以增加加工期间测量信号Sp和空闲信号Sw之间的差，所以可以以高精度检测作为那两个信号之间差而提取的切割力信号Sc。

图11A和图11B是每个均示出加工装置1的力传感器6相对于其表面上涂有Ni-P(镍-磷)的工件W的示例性输出(空闲信号Sw、测量信号Sp和切割力信号Sc)的示图。这里，图11A示出了切割工件的平滑表面的情况(在图案加工之前)，图11B示出了另外切割已经被加工以在其上形成图案的工件表面的情况。在图11A的实例中切割力(图中的“希望力(trust force)”)为0.34[N]，在图11B的实例中切割力为0.43[N]。

另外，图12A和图12B是每个均示出加工装置1的力传感器6相对于由Al(铝)制成的工件W的示例性输出(空闲信号Sw、测量信号Sp和切割力信号Sc)的示图。这里，图12A示出了切割工件的平滑表面的情况(在图案加工之前)，图12B示出了另外切割已经被加工以在其上形成图案的工件表面的情况。在图12A的实例中切割力(图中的“希望力”)为0.15[N]，在图12B的实例中切割力为0.12[N]。

另外，图13A和图13B是每个均示出加工装置1的力传感器6相对于由Cu(铜)制成的工件W的示例性输出(空闲信号Sw、测量信号Sp和切割力信号Sc)的示图。这里，图13A示出了切割工件的平滑表面的情况(在图案加工之前)，图13B示出了另外切割已经被加工以在其上形成图案的工件表面的情况。在图13A的实例中切割力(图中的“希望力”)为0.08[N]，在图13B的实例中切割力为0.11[N]。

如图11～图13所示，根据该实施例，由于测量信号Sp和空闲信号Sw之间的差较大，所以可以以高精度检测切割力信号Sc。此外，如图11A、图11B、图12A、图12B、图13A和图13B所示，也能够以高精度检测切割力根据工件表面状态(平滑表面或凹凸表面)的差。因此，可以以高精度测量加工期间的切割力，并且可以以高精度在工件表面上形成三维微型图案。

另外，根据该实施例，由于与测量信号Sp相比可以显著抑制空闲信号Sw，所以即使对诸如铝或铜的相对柔软的工件而言，也也可以在测量信号Sp和空闲信号Sw之间确保预定水平或更高的输出差。因此，如图12和图13所示，可以以高精度检测加工期间的切割力。

(第二实施例)

接下来，将参考图14和图15来描述本发明的第二实施例。图14A、图14B、图15A和图15B是每个均示出该实施例的加工装置在其加工部分(刀具)附近的示意结构的侧视图。注意，除加工部分之外的组件与第一实施例的那些相同，因此省略其描述。另外，在图中，由相同的参考符号表示对应于第一实施例那些部件的部件，并省略其详细描述。

该实施例与第一实施例的不同之处在于力传感器6设置在由切割刃12、柄13和刀具架14构成的加工部分的结构内。

具体地，在具有图14A所示结构的加工装置中，力传感器6被嵌入到保持刀具2的刀具架14中。刀具架14具有L形，并包括位于柄13和头部件10之间的第一臂部14a和与第一臂部14a垂直并支撑柄13的第二臂部14b。力传感器6被嵌入第一臂部14a中。

上述结构还承受相同操作并且与第一实施例的效果相同。另外，由于刀具架14和力传感器6可以集成在一起，所以可以减少设置在加工装置的加工部分附近的组件数。

在具有图14B所示结构的加工装置中，力传感器6被嵌入构成刀具2的柄13中。通过该结构，力传感器6仅可以检测到基于切割刃12和一部分柄13的质量分量的力。因此，可以更加抑制刀具2的空闲信号Sw的输出，由此实现与第一实施例相比在检测切割力信号Sc方面更加提高精度。

另外，在分别具有图15A和图15B所示结构的加工装置中，力传感器6设置在切割刃12和构成刀具2的柄13之间。具体地，在图15A的结构中，力传感器6的端部连接至切割刃12的基底部分，并且力传感器6的底面局部地接合至柄13的上表面。在图15B的结构中，力传感器6的上表面接合到切割刃12的下表面，并且力传感器6的下表面接合到柄13的上表面。注意，尽管未示出，但可选地力传感器6可设置在柄13和刀具架14之间。

通过图15所示的结构，由力传感器6检测的力信号基本上仅含有作用于切割刃12的惯性力。因此，可以更加抑制刀具2的空闲信号Sw的输出，由此实现与图14的结构相比在检测切割力方面的更加提高精度。

(第三实施例)

图16是示出根据本发明第三实施例的加工装置41的结构的截面侧视图。注意，在图中，由相同参考符号表示对应于第一实施例那些部件的部件，并省略其详细描述。

在该实施例的加工装置41中，支撑刀具2的头部件10具有由第一头部件10a和第二头部件10b构成的双分割结构。第一头部件10a支撑刀具2，第二头部件10b完整固定至致动器3的端部。另外，力传感器6设置在第一头部件10a和第二头部件10b之间。

力传感器6由压电装置构成。在力传感器6的中心部分，形成完整固定第一头部件10a和第二头部件10b的螺钉件44的柄通过的通孔，且基于螺钉件44的紧固力来设置力传感器6的预载荷。螺钉件44构成将力传感器6压在头部件10上的按压机构。注意，螺钉件44的轴心位置与致动器3的一致。

在壳体4的顶端部设置将第二头部件10b压在致动器3的端部的预载荷机构。预载荷机构附接至壳体4的开口端，并包括在其中心部分形成有插入第一头部件10a的导引孔42a的导引件42和设置在导引件42和第二头部件10b之间的弹性件11。

弹性件11由内径比力传感器6的外部尺寸大的波形垫圈构成。通过弹性件11的弹力向致动器3施加预定预载荷。注意，导引件42通过多个螺钉件43固定至壳体4，螺钉件43经由形成在壳体4的圆周侧面部分上形成的多个螺钉孔拧至导引件42的圆周侧面部分。还应注意，每个螺钉孔的内径被形成为基本与每个螺钉件43的头部分的直径相同。

导引件42支撑插入导引孔42a的头部件10，使得头部件10可通过致动器3的伸展/缩进驱动来沿螺钉件44的轴向滑动预定距离。头部件10的滑动量在弹性件11的弹性变量范围内。在该实施例中，导引孔42a的一部分(即，第一头部件10a的移动导引部分)由安装至导引件42的轴衬45构成。轴衬45可以由低摩擦合金材料或橡胶材料形成。注意，代替设置轴衬45，可以由与导引件42相同的材料形成第一头部件10a的滑动表面。

如上所述构造的该实施例的加工装置41还承受相同操作，并起到与第一实施例的加工装置相同的效果。更具体地，根据该实施例，由于可以通过螺钉件44的紧固力来对力传感器6设置任意预载荷，所以可以获得力传感器6的稳定力检测信号。

此外，根据该实施例，由于可以通过导引件42调节头部件10的轴向移动，所以可以提高力传感器6的检测精度并以高可靠性测量切割力。另外，由于力传感器6具有比弹性件11小的外部尺寸，所以与参考图7所述加工装置31中形成为具有基本与弹性件11相同尺寸的力传感器33相比，力传感器6几乎不会受到与致动器3的中心部分有关的力矩的影响。因此，可以提高力传感器6检测切割力的精度。

(工件的具体实例)

除FPD、太阳能等领域之外，根据本发明实施例的加工装置可以用于多种领域。可以使用实施例的加工装置来形成用于产生安装至液晶显示器(LCD)的光学片(或光学薄膜)的成形辊。

图17是示出光学片形成设备50的示意性结构图。形成设备50包括挤压机51、T形冲模52、成形辊53、弹性辊54和冷却辊55。挤压机51熔化从储料器(未示出)供应的树脂材料并向T形冲膜52供应材料。T形冲膜52使由挤压机51供应的树脂材料扩展直到其达到所要形成片的期望宽度并释放材料。由T形冲膜52释放的熔化树脂被成形辊53和弹性辊54挤压并通过成形辊53形成为薄片。所形成的树脂片随后被冷却辊55冷却，随后形成为光学片60。

成形辊53是在构成成形辊53的不锈钢主体表面上涂有Ni-P和Cu的圆柱体，并且可以以其中心轴作为旋转轴来旋转驱动。成形辊53的圆柱表面形成有用于将凹凸图案转印到光学片60的主表面上的三维微型图案(未示出)。微型图案是用于将例如图18A所示棱镜体60P、图18B所示圆柱透镜体和微透镜体(未示出)转印到薄片上的微型凹凸图案。此外，微型图案面对圆柱成形辊53的圆周方向或轴向。

在光学片上，例如以几μm至几百μm的间距连续形成棱镜体或圆柱透镜体。为了有效地会聚来自液晶显示器的背光的光，需要将棱镜体等形成为与期望光学设计完全相同，因此成形辊表面上的微型图案具有期望对准是非常必要的。

例如，可将如图1所示根据本发明实施例的加工装置1用于在成形辊53的表面上形成凹凸图案。例如，将金刚石切割刀具用作刀具2的切割刃12。根据本发明，在加工成形辊53期间，可以轻微地加工成形辊53，同时准确测量刀具2的切割力。因此，可以防止微型图案的对准变形，并且可以防止凹入图的凹槽深度或凸起图的顶点高度变化。

可以对本发明的实施例进行以上描述的加工。然而，本发明并不限于上述实施例，并且当然可以在不背离本发明要点的情况下进行多种修改。

例如，尽管在上述实施例中力传感器6由压电装置构成，但本发明并不限于此，而是可以使用诸如变形量器的其他检测器来替代。类似地，尽管致动器3由压电叠层体构成，但是也可以使用包括螺线管和芯的电磁致动器来替代。

此外，上述实施例以将根据本发明的加工装置用于加工工件表面以在其上形成微型图案为例。然而，可以将根据上述实施例的加工装置用于下述其他目的。

(刀具的磨损或破损的检测)

通过使用以高精度测量的力传感器6的输出，根据本发明实施例的加工装置1可以在加工期间检测诸如切割刃12的破片的磨损或破损。因此，可以容易地确定何时替换刀具2，因此可以提高生产率。

(刀具磨损量的测量)

根据本发明实施例的加工装置1还可以测量切割刃12的磨损量。具体地，可以在加工之前执行的工件与刀具的接触状态的检测过程期间，通过基于位移传感器7的输出检测接触位置的改变来测量刀具2的磨损量。此外，可以使用相同方法来获得由于在替换刀具2时引起的附接错误所导致的刀具2的顶端位置的偏离量、刀具2的尺寸差异等。

(通过加工表面形成的图案的测量)

通过控制器15控制致动器3的驱动，使得力传感器6的测量值变得恒定，根据本发明实施例的加工装置1可以基于由位移传感器7检测的位移来测量形成在工件W表面上的图案。此外，可以使用相同的方法在使用形状已知的参考样品的同时来测量刀具2顶端的形状。

(刀具切割特性的测量)

通过直接向A/D转换板22输入以高精度测量的力传感器6的输出，可以检查刀具2的切割特性。因此，可以使加工条件最佳化并提高通过加工表面形成的图案的精度。

Claims (10)

1.一种加工装置，包括具有切割刃的加工部，以及被配置为使所述加工部轻微地振动的致动器，其特征在于，所述加工装置还包括：

壳，被配置为容纳所述致动器；

预载荷机构，设置在所述壳内，并被配置为向所述致动器施加预载荷；

力传感器，设置在所述切割刃和所述预载荷机构之间；以及

检测装置，用于基于所述力传感器的输出来检测所述加工部的切割力。

2.根据权利要求1所述的加工装置，

其中，所述预载荷机构包括：与所述致动器接触并相对于所述壳与所述加工部一起被驱动的头部件；和设置在所述壳和所述头部件之间且被配置为将所述头部件压紧所述致动器的弹性件，以及

其中，所述力传感器设置在所述切割刃和所述头部件之间。

3.根据权利要求2所述的加工装置，

其中，所述加工部包括被配置为保持所述切割刃的保持部，以及

其中，所述力传感器设置在所述保持部和所述头部件之间。

4.根据权利要求2所述的加工装置，

其中，所述加工部包括被配置为保持所述切割刃的保持部，以及

其中，所述力传感器设置在所述切割刃和所述保持部之间。

5.根据权利要求2所述的加工装置，

其中，所述加工部包括被配置为保持所述切割刃的保持部，以及

其中，所述力传感器嵌入所述保持部中。

6.根据权利要求2所述的加工装置，

其中，所述弹性件为波形垫圈，以及

其中，所述力传感器由外部尺寸比所述波形垫圈小的压电装置构成。

7.根据权利要求1所述的加工装置，还包括：

位移传感器，被配置为检测所述加工部相对于所述壳的位移。

8.根据权利要求2所述的加工装置，还包括：

被配置为将所述力传感器压紧所述头部件的机构，该机构设置在所述加工部和所述力传感器之间。

9.根据权利要求1所述的加工装置，

其中，所述检测装置包括被配置为驱动所述致动器的驱动电路。

10.一种加工装置，包括具有切割刃的加工部，被配置为使所述加工部轻微地振动的致动器，以及被配置为检测所述加工部的位移的位移传感器，其特征在于，所述加工装置还包括：

壳，被配置为容纳所述致动器；

预载荷机构，设置在所述壳内并被配置为向所述致动器施加预载荷；

力传感器，设置在所述切割刃和所述预载荷机构之间；以及

控制装置，用于基于所述力传感器的输出和所述位移传感器的输出来驱动所述致动器。

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