(57)【要約】振動機械加工（ＶＡＭ）システムは、フレーム（１００；図１）と、フレーム（１００；図１）に機械的に結合された振動素子（１１４；図１）と、フレームに結合された工作物ホルダ（１０６；図１）とを有している。振動素子（１１４；図１）は、振動面に概ね楕円形のツール通路（図５Ａ）を生じさせるように構成された第１アクチュエータ及び第２アクチュエータ（２００，２０２；図２）を有する。また、ＶＡＭシステムは、フレーム（１００；図１）と振動素子（１１４；図１）又は工作物（１０６；図１）のいずれか１つとの間に結合された第３アクチュエータ（１０４及び／又は１１６；図１）を有し、その第３アクチュエータの移動軸は概ね振動面内にあるとともにＶＡＭシステムの送り方向に対して概ね垂直である。このことは、ツール通路が幅広い種類の形状（図５ｂ）に変更されることを可能にする。
2010522648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、
前記フレームに機械的に結合され、前記ＶＡＭシステムの振動面に概ね楕円形のツール通路を生じさせるように構成された第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを有する振動素子と、
前記振動素子に接続された切削ツールホルダと、
前記フレームに結合された工作物ホルダと、
前記フレームと、前記振動素子又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合された第３アクチュエータと、
を有する振動機械加工（ＶＡＭ）システムであって、
前記第３アクチュエータは、前記第３アクチュエータの移動軸が概ね前記振動面内にあるとともに前記ＶＡＭシステムの送り方向に対して概ね垂直であるように、前記フレームに結合されている、
ＶＡＭシステム。
【請求項２】
前記振動素子の前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとは、並列構造で設けられ、
前記振動素子は、さらに、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータを前記切削ツールホルダに結合するＴ型リンケージを有し、
前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータは、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータの移動軸が前記第３アクチュエータの前記移動軸に対して概ね平行であるように、前記フレームに結合されている、
請求項１に記載のＶＡＭシステム。
【請求項３】
前記第３アクチュエータは、並列構造で配置された第１アクチュエータ素子と第２アクチュエータ素子とを有し、
前記第３アクチュエータの前記第１アクチュエータ素子は、前記フレームと前記第１アクチュエータとの間に結合され、
前記第３アクチュエータの前記第２アクチュエータ素子は、前記フレームと前記第２アクチュエータとの間に結合されている、
請求項２に記載のＶＡＭシステム。
【請求項４】
前記振動素子は、さらに、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータを前記切削ツールホルダに結合する十字空間屈曲部を有し、
前記振動素子の前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとは、直交構造で設けられ、
前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータは、前記第１アクチュエータの移動軸が前記第３アクチュエータの前記移動軸に対して概ね平行であり、前記第２アクチュエータの移動軸が前記第３アクチュエータの移動軸に対して概ね垂直であるように、前記フレームに結合されている、
請求項１に記載のＶＡＭシステム。
【請求項５】
前記振動素子は、２つの結節部と、前記２つの結節部間に位置しない端部と、を備える二次元横振動ビームをさらに有し、
前記二次元横振動ビームは、前記２つの結節部で前記フレームに結合されるとともに、前記端部で前記切削ツールホルダに結合され、
前記振動素子の前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータは、前記第１アクチュエータの移動軸が前記第３アクチュエータの前記移動軸に対して概ね平行であり、前記第２アクチュエータの移動軸が前記第３アクチュエータの移動軸に概ね垂直であるように、前記結節部間の中心ポイントにて直交構造で前記二次元トラバースビームに結合されている、
請求項１に記載のＶＡＭシステム。
【請求項６】
前記振動素子と前記第３アクチュエータとに電気的に結合された駆動回路であって、前記第１アクチュエータを駆動するための第１駆動信号と、前記第２アクチュエータを駆動するための第２駆動信号と、前記第３アクチュエータを駆動するための第３駆動信号とを供給するように構成された駆動回路をさらに有し、
前記第１駆動信号は、基準振動数と第１ストロークの振幅とを有し、
前記第２駆動信号は、前記基準振動数と第２ストロークの振幅とを有し、
前記第１ストロークの振幅と前記第２ストロークの振幅と前記第１駆動信号及び第２駆動信号の相対位相とは、前記切削ツールホルダに設けられた切削ツールの先端部が前記振動素子に関連する前記振動面の前記概ね楕円形のツール通路に従って進むように選択され、
前記第３駆動信号は、前記基準振動数のＮ倍（Ｎは１以上の整数）にほぼ等しい摂動振動数を有するとともに、前記第１ストロークの振幅と前記第２ストロークの振幅の小さい方よりも小さい摂動振幅を有する、
請求項１に記載のＶＡＭシステム。
【請求項７】
前記第３アクチュエータに電気的に結合されたバイアス回路であって、前記振動素子と前記工作物ホルダとの間の距離を動的制御するバイアス信号を供給するように構成されたバイアス回路をさらに有する、請求項１に記載のＶＡＭシステム。
【請求項８】
前記ＶＡＭシステムの前記送り方向に前記振動素子を並進させるために前記フレームと前記振動素子との間に結合された送りステージと、
送りラインの一端部において前記送り方向に対して概ね垂直で且つ前記ＶＡＭシステムの前記振動面に対して概ねノーマルである方向に、前記工作物ホルダに関連して前記切削ツールホルダをステップするためのステップステージであって、前記フレームと前記振動素子又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合されたステップステージと、
をさらに有する、請求項１に記載のＶＡＭシステム。
【請求項９】
前記ＶＡＭシステムの前記送り方向とは逆の方向に前記工作物ホルダを並進させるために前記フレームと前記振動素子との間に結合された送りステージと、
送りラインの一端部において前記送り方向に対して概ね垂直で且つ前記ＶＡＭシステムの前記振動面に対して概ねノーマルである方向に、前記工作物ホルダに関連して前記切削ツールホルダをステップするためのステップステージであって、前記フレームと前記振動素子又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合されたステップステージと、
をさらに有する、請求項１に記載のＶＡＭシステム。
【請求項１０】
前記フレームと前記振動素子又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合された第４アクチュエータをさらに有する、請求項１に記載のＶＡＭシステム。
【請求項１１】
前記振動素子と前記第３アクチュエータと前記第４アクチュエータとに電気的に結合された駆動回路であって、前記第１アクチュエータを駆動するための第１駆動信号と、前記第２アクチュエータを駆動するための第２駆動信号と、前記第３アクチュエータを駆動するための第３駆動信号と、前記第４アクチュエータを駆動するための第４駆動信号とを供給するように構成された駆動回路をさらに有し、
前記第１駆動信号は、基準振動数と第１ストロークの振幅とを有し、
前記第２駆動信号は、前記基準振動数と第２ストロークの振幅とを有し、
前記第１ストロークの振幅と前記第２ストロークの振幅と前記第１駆動信号及び第２駆動信号の相対位相とは、前記切削ツールホルダに設けられた切削ツールの先端部が前記振動素子に関連する前記振動面の前記概ね楕円形のツール通路に従って進むように選択され、
前記第３駆動信号は、前記基準振動数のＮ倍（Ｎは１以上の整数）にほぼ等しい第１摂動振動数を有するとともに、前記第１ストロークの振幅と前記第２ストロークの振幅の小さい方よりも小さい摂動振幅を有し、
前記第４駆動信号は、前記基準振動数のＭ倍（ＭはＮ以上の整数）にほぼ等しい第２摂動振動数を有するとともに、前記第１摂動振幅以下の第２摂動振幅を有する、請求項１０に記載のＶＡＭシステム。
【請求項１２】
前記第３アクチュエータに電気的に結合されたセンサ回路であって、前記切削ツールホルダに設けられた切削ツールの先端部と前記工作物ホルダに設けられた工作物との間の力を示す前記第３アクチュエータからの信号を受信するように構成されたセンサ回路をさらに有する、請求項１に記載のＶＡＭシステム。
【請求項１３】
前記第１アクチュエータは、圧電（ＰＺＴ）アクチュエータ又は磁歪アクチュエータのいずれか１つであり、
前記第２アクチュエータは、ＰＺＴアクチュエータ又は磁歪アクチュエータのいずれか１つであり、
前記第３アクチュエータは、ＰＺＴアクチュエータ又は磁歪アクチュエータのいずれか１つである、
請求項１に記載のＶＡＭシステム。
【請求項１４】
前記第３アクチュエータは、積層構造で配置された複数のアクチュエータ素子を有する、請求項１に記載のＶＡＭシステム。
【請求項１５】
フレームと、
切削ツールホルダと、
前記フレームに結合された工作物ホルダと、
前記フレームと前記切削ツールホルダ又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合された第１アクチュエータと、
前記フレームと前記切削ツールホルダ又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合された第２アクチュエータと、
前記フレームと、前記第１アクチュエータ、前記第２アクチュエータ、前記切削ツールホルダ、又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合された第３アクチュエータと、
を有する振動機械加工（ＶＡＭ）システムであって、
前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータは、前記ＶＡＭシステムの振動面の概ね楕円形のツール通路内で前記切削ツールホルダに設けられた切削ツールを駆動するように構成され、
前記第１アクチュエータ及び前記第３アクチュエータは、前記第１アクチュエータ及び前記第３アクチュエータの移動軸が概ね前記振動面内にあるとともに前記ＶＡＭシステムの送り方向に対して概ね垂直であるように、前記フレームに結合され、
前記第２アクチュエータは、前記第２アクチュエータの移動軸が前記振動面内にあるとともに前記ＶＡＭシステムの前記送り方向に対して概ね平行であるように、前記フレームに結合されている、
ＶＡＭシステム。
【請求項１６】
前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータと前記第３アクチュエータとに電気的に結合された駆動回路であって、前記第１アクチュエータを駆動するための第１駆動信号と、前記第２アクチュエータを駆動するための第２駆動信号と、前記第３アクチュエータを駆動するための第３駆動信号とを供給するように構成された駆動回路をさらに有し、
前記第１駆動信号は、基準振動数と第１ストロークの振幅とを有し、
前記第２駆動信号は、前記基準振動数と第２ストロークの振幅とを有し、
前記第１ストロークの振幅と前記第２ストロークの振幅と前記第１駆動信号及び第２駆動信号の相対位相とは、前記切削ツールホルダに設けられた切削ツールの先端部が前記振動素子に関連する前記振動面の前記概ね楕円形のツール通路に従って進むように選択され、
前記第３駆動信号は、前記基準振動数のＮ倍（Ｎは１以上の整数）にほぼ等しい第１摂動振動数を有するとともに、前記第１ストロークの振幅と前記第２ストロークの振幅の小さい方よりも小さい摂動振幅を有する、請求項１５に記載のＶＡＭシステム。
【請求項１７】
前記第３アクチュエータに電気的に結合されたバイアス回路であって、前記振動素子と前記工作物ホルダとの間の距離を動的制御するバイアス信号を供給するように構成されたバイアス回路をさらに有する、請求項１５に記載のＶＡＭシステム。
【請求項１８】
前記ＶＡＭシステムの前記送り方向に前記切削ホルダを並進させるために前記フレームと前記切削ツールホルダとの間に結合された送りステージと、
送りラインの一端部において前記送り方向に対して概ね垂直で且つ前記ＶＡＭシステムの前記振動面に対して概ねノーマルである方向に、前記工作物ホルダに関連して前記切削ツールホルダをステップするためのステップステージであって、前記フレームと前記切削ツールホルダ又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合されたステップステージと、
をさらに有する、請求項１５に記載のＶＡＭシステム。
【請求項１９】
前記ＶＡＭシステムの前記送り方向とは逆方向に前記工作物ホルダを並進させるために前記フレームと前記工作物ホルダとの間に結合された送りステージと、
送りラインの一端部において前記送り方向に対して概ね垂直で且つ前記ＶＡＭシステムの前記振動面に対して概ねノーマルである方向に、前記工作物ホルダに関連して前記切削ツールホルダをステップするためのステップステージであって、前記フレームと前記切削ツールホルダ又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合されたステップステージと、
をさらに有する、請求項１５に記載のＶＡＭシステム。
【請求項２０】
前記フレームと、前記第１アクチュエータ、前記第２アクチュエータ、前記第３アクチュエータ、前記切削ツールホルダ、又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合された第４アクチュエータをさらに有する、請求項１５に記載のＶＡＭシステム。
【請求項２１】
前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータと前記第３アクチュエータと前記第４のアクチュエータとに電気的に結合された駆動回路であって、前記第１アクチュエータを駆動するための第１駆動信号と、前記第２アクチュエータを駆動するための第２駆動信号と、前記第３アクチュエータを駆動するための第３駆動信号と、前記第４アクチュエータを駆動するための第４駆動信号とを供給するように構成された駆動回路をさらに有し、
前記第１駆動信号は、基準振動数と第１ストロークの振幅とを有し、
前記第２駆動信号は、前記基準振動数と第２ストロークの振幅とを有し、
前記第１ストロークの振幅と前記第２ストロークの振幅と前記第１駆動信号及び第２駆動信号の相対位相とは、前記切削ツールホルダに設けられた切削ツールの先端部が前記振動素子に関連する前記振動面の前記概ね楕円形のツール通路に従って進むように選択され、
前記第３駆動信号は、前記基準振動数のＮ倍（Ｎは１以上の整数）にほぼ等しい第１摂動振動数を有するとともに、前記第１ストロークの振幅と前記第２ストロークの振幅の小さい方よりも小さい摂動振幅を有し、
前記第４駆動信号は、前記基準振動数のＭ倍（ＭはＮ以上の整数）にほぼ等しい第２摂動振動数を有するとともに、前記第１摂動振幅以下の第２摂動振幅を有する、請求項１８に記載のＶＡＭシステム。
【請求項２２】
前記第３アクチュエータに電気的に結合されたセンサ回路であって、前記切削ツールホルダに設けられた切削ツールの先端部と前記工作物ホルダに設けられた工作物との間の力を示す前記第３アクチュエータからの信号を受信するように構成されたセンサ回路をさらに有する、請求項１５に記載のＶＡＭシステム。
【請求項２３】
前記第１アクチュエータは、圧電（ＰＺＴ）アクチュエータ又は磁歪アクチュエータのいずれか１つであり、
前記第２アクチュエータは、ＰＺＴアクチュエータ又は磁歪アクチュエータのいずれか１つであり、
前記第３アクチュエータは、ＰＺＴアクチュエータ又は磁歪アクチュエータのいずれか１つである、
請求項１５に記載のＶＡＭシステム。
【請求項２４】
前記第３アクチュエータは、積層構造で配置された複数アクチュエータ素子を有する、請求項１５に記載のＶＡＭシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層アクチュエータを備える振動機械加工（ＶＡＭ：Vibration Assisted Machining）システムに関する。これらのＶＡＭシステムは、表面仕上げ品質を改善し、外観（feature）を縮小し、寸法の複雑性を増加させる装置の製造を可能にする。
【背景技術】
【０００２】
振動機械加工（ＶＡＭ）は、例えば、グレーティング用の金型（mold）の原盤、回折光学素子、スタンピング用のダイ（die）の原盤の製造などの様々な用途で利用される高度な製造技術である。ＶＡＭ技術は、シングルポイントターニング加工と比べて、ツールの摩耗の減少、材料機械加工能力の拡大、ナノスケールの外観性能の増加を含む利点を備えている。
【０００３】
さらに、ＶＡＭは、ダイヤモンドチップの過剰加熱によるシングルポイントダイヤモンドターニング技術を用いた装置では非常に困難である例えば炭化ケイ素などの材料の加工が可能である。ＶＡＭシステムは、複雑性及び有用性が異なる。例えば、ノースカロライナ州立大学で開発されたウルトラミルシステムなどのＶＡＭシステムは、ダイヤモンドツールを楕円軌道で駆動するために互い並列に設けられた２つの圧電（ＰＺＴ）アクチュエータを使用している。楕円軌道の短軸及び長軸は、ＰＺＴアクチュエータを切削ツールに結合するのに使用されるＴ型リンケージと、ＰＺＴアクチュエータを駆動するのに使用される駆動信号の振幅及び位相によって決定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このリンケージの形状と駆動方法では、定常状態条件で駆動されたときに工作物（ワークピース）を出し入れする場合のツール送入及び送出ゾーン（すなわち、移行ゾーン）が低減されない。
【０００５】
本発明は、表面仕上げを高品質なものとするために硬質の材料を加工するための改善された振動ミーリング装置及び方法を提供するとともに、ＶＡＭ工程に関する他の所望の特徴を維持しながら、低減されたツール送入及びツール送出ゾーンを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の例示的な実施態様は、フレームと、前記フレームに機械的に結合された振動素子（vibration element）と、前記振動素子に結合された切削ツールホルダと、前記フレームに結合された工作物ホルダとを有する振動機械加工(ＶＡＭ)システムである。振動素子は、前記ＶＡＭシステムの振動面内に概ね楕円形のツール通路（tool path）を生じさせるように構成された第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを有している。また、ＶＡＭシステムは、前記フレームと前記振動素子又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合された第３アクチュエータを有している。この第３アクチュエータは、その移動軸が概ね前記振動面内にあるとともに前記ＶＡＭシステムの前記送り方向に概ね垂直であるように、前記フレームに結合されている。
【０００７】
本発明にかかる別の例示的な実施形態は、フレームと、切削ツールホルダと、前記フレームに結合された工作物ホルダと、３つのアクチュエータとを有するＶＡＭシステムである。前記第１アクチュエータは、前記フレームと前記切削ツールホルダ又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合されている。また、前記第２アクチュエータも、前記フレームと前記切削ツールホルダ又は前記工作物ホルダのいずれか１つとの間に結合されている。前記第３アクチュエータは、前記フレームと前記２つのアクチュエータのいずれか１つとの間、前記フレームと前記切削ツールホルダとの間、又は前記フレームと前記工作物ホルダとの間に結合されている。前記第１及び第２アクチュエータは、前記ＶＡＭシステムの前記振動面の概ね楕円形のツール通路内で前記切削ツールホルダに設けられた切削ツールを駆動するように構成されている。前記第１及び第３アクチュエータは、それらの移動軸が概ね前記振動面内にあるとともに前記ＶＡＭシステムの前記送り方向に概ね垂直であるように、前記フレームに結合されている。前記第２アクチュエータは、その移動軸が前記振動面内にあるとともに前記ＶＡＭシステムの前記送り方向に概ね平行であるように、前記フレームに結合されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面に関連して読むことによって最良に理解される。但し、一般的な方法に従い、図面の様々な特徴が縮尺通りではないことを強調しておく。むしろ、様々な構成の寸法は、明瞭化のために任意に拡大又は縮小されている。図面には、次の特徴が含まれている。
【図１】本発明にかかる例示的な振動機械加工（ＶＡＭ）システムを示す側面図である。
【図２】本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムで使用される例示的な積層アクチュエータの構造を示す一部切断斜視図である。
【図３Ａ】本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムの圧電アクチュエータを駆動するのに使用される例示的な駆動信号を示すグラフである。
【図３Ｂ】図３Ａの例示的な駆動信号によって駆動される本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムにおける、切削ツールの先端部の動きを示すグラフである。
【図４Ａ】本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムの圧電アクチュエータを駆動するのに使用される例示的な駆動信号を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ａの例示的な駆動信号によって駆動される本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムにおける、切削ツールの先端部の動きを示すグラフである。
【図５Ａ】従来のＶＡＭシステムを使用して得られる例示的な表面仕上げ及び送り量を示す側面図である。
【図５Ｂ】本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムを使用して得られる例示的な表面仕上げ及び送り量を示す側面図である。
【図５Ｃ】本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムを使用して得られる例示的な表面仕上げ及び送り量を示す側面図である。
【図６Ａ】本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムで使用される振動素子を示す側面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの振動素子の十字空間屈曲部(cross-void flexure)の動作原理を示す側面図である。
【図７Ａ】本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムで使用される他の振動素子を示す斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ａの振動素子の動作原理を示すグラフである。
【図８】本発明にかかる他の例示的なＶＡＭシステムを示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
現在のＶＡＭシステムの設計は、並列に配置された２つの圧電（ＰＺＴ）スタック／アクチュエータ（図２のＰＺＴ２００，２０２の構造と同様）を使用している。本発明の次の詳細な説明においては、この並列に配置された２つのＰＺＴアクチュエータを有する振動素子の多数の例が具体的に示されている。しかしながら、当業者は、この振動素子の使用が単なる実例であり、限定することを意図しないことに気付くだろう。例えば、本発明の例示的な実施形態において、従来から知られている他の２つのＰＺＴアクチュエータの振動素子（例えば図６Ａ，図６Ｂ，図７Ａ，図７Ｂ，図８に示される振動素子）を使用しても良いことが意図されている。
【００１０】
下記で述べる例示的なＶＡＭシステムで使用されるアクチュエータは、ＰＺＴアクチュエータとして述べるが、これは限定することを意図しない。例えば、本発明の例示的な実施形態において、磁歪アクチュエータなどの他のアクチュエータを１つ以上のＰＺＴアクチュエータを代わりに使用しても良いことが意図されている。
【００１１】
並列構造の振動素子を使用するＶＡＭシステムにおいて、それらの振動素子は、互いに約１〜４ｋＨｚの振動数を有し、６０°〜１７０°位相がずれている２つのＰＺＴに正弦波電圧信号を印加することによって駆動される。しかしながら、信号間での９０°の位相の相違は、一般的に使用されている。２つのアクチュエータの振動は、２つのアクチュエータが「Ｔ」型リンケージを通じて結合されたとき、楕円形の切削ツールの動きを生じさせる。この動きは、入口／移行ゾーンを楕円の半分の長さに制限するとともに、所望の表面仕上げを達成するために使用される切削中の最大送り量を制限する。楕円のカーブの形状のため、送り量は、この表面仕上げの所望のピークから谷までの値に左右される。なお、その表面は、高倍率下においては概ね波を打った外観を有する。この波打ちパターンの長さ及び高さの寸法は、楕円形のサイクル毎の送り量と、楕円形状に対する相当半径評価（equivalent radius estimate）とに概ね関連している。
【００１２】
本発明の例示的な実施形態は、並列のＰＺＴアクチュエータに第３の短いストロークのＰＺＴアクチュエータを加えたものである。第３ＰＺＴアクチュエータは、正弦波電圧信号で駆動することができる。この第３駆動信号の位相、振動数、及び／又は振幅は、意図される切断面によって参照されるように、形状を異ならせるために切削ツールの先端部の結果的な楕円の動きを変更するように、変えられてもよい。工作物によって「見られる（"seen"）」ツールの動きは、パフォーマンス特性に影響するだろう。これらの変更されたツール通路の形状の幾つかは、より速い送り速度を可能にする一方で、他のツール通路の形状は、単一の通路においてより深い断面が形成されることを可能にする。
【００１３】
図１は、本発明の例示的な実施形態を示している。この例示的な実施形態は、フレーム１００と、並列構造で設けられた２つのＰＺＴアクチュエータを有する振動素子１１４と、切削ツールホルダ１１２と、工作物ホルダ１０６と、第３（摂動:perturbation）ＰＺＴアクチュエータとを有するＶＡＭシステムである。前記摂動ＰＺＴアクチュエータは、フレーム１００と、振動素子１１４(ＰＺＴアクチュエータ１１６）、工作物ホルダ１０６（ＰＺＴアクチュエータ１０４）のいずれか又は両方との間に結合されている。また、図１は、工作物ホルダ１０６に設けられた工作物１０８と、本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムに含まれる付加的な素子（例えば切削ツール１１０；工作物１０８の機械加工中に工作物１０８及び／又は切削ツール１１０を互いに関連して移動させる移動ステージ１０２；振動素子１１４、摂動ＰＺＴアクチュエータ、及び／又は摂動ＰＺＴアクチュエータ１１６に駆動信号を供給する振動制御回路１１８）を示している。
【００１４】
フレーム１００、移動ステージ（複数）１０２、工作物ホルダ１０６、振動素子１１４、切削ツールホルダ１１２、及び切削ツール１１０は全て、例えばノースカロライナ州立大学で開発されたウルトラミルなどの従来のＶＡＭシステムの対応する素子と同様である。切削ツール１１０は、通常、ダイヤモンドチップを有している。しかしながら、加工する材料に応じて、例えば炭化物やサファイアなどの他の切削ツールの先端部が使用されることが望ましい。
【００１５】
各移動ステージ１０２は、工作物１０８及び／又は切削ツール１１０を移動させるための送りステージ及び／又はステップステージを含んでいる。これらの送り及びステップステージは、ラスタースキャン加工パターンを提供するために、工作物１０８の表面に概ね平行である（摂動ＰＺＴアクチュエータの分極軸（polarization axes）に対して概ね直交する）直交方向の移動を提供することが望ましい。なお、移動ステージ１０２は、（工作物１０８の表面の加工の間）切削深さを制御するとともに、（工作物１０８の表面が加工されていないときに）工作物１０８及び切削ツール１１０の先端部との間の分離を制御するためにＺ並進（translation）ステージも有している。他の移動ステージは、回転ステージを含み、付加的な自由度及び／又は別の機械加工パターンを可能にするために傾斜ステージも移動ステージ１０２に含まれている。
【００１６】
図２は、振動素子１１４と切削ツールホルダ１１２と摂動ＰＺＴアクチュエータ１１６の例示的な構造を示す一部を切断した拡大斜視図である。この図は、ＰＺＴアクチュエータ２００，２０２の並列構造を示している。すなわち、これら２つのＰＺＴアクチュエータの分極（移動）軸は、概ね平行（図２の上下、図１の左右）である。これら２つのＰＺＴアクチュエータは、図１の例示的なＶＡＭシステムにおいて振動素子１１４として使用される振動素子を形成するために、Ｔ型リンケージ（T-linkage）２０４によって互いに結合されている。上述したように、ＰＺＴアクチュエータ２００，２０２を正弦波信号で駆動することは、ツールホルダ１１２に設けられる切削ツールの先端部が、ＶＡＭシステムの送り方向に対して概ね平行な面にある概ね楕円形のツール通路に従って進む（図５Ａに示されるように）ようにさせる。（この面は、機械加工する工作物１０８の表面に対して概ね垂直であることが多い。）これらの正弦波信号の振幅及び／又はこれらの位相差を変えることによって、この楕円形のツール通路の方向性及び楕円率が、完全な円を含むように変更されてもよい。しかしながら、ツール先端部のツール通路は、ＰＺＴアクチュエータ２００，２０２が正弦波駆動信号で駆動される間は、概ね楕円形のままである。
【００１７】
図６Ａは、別の振動素子１１４’を示している。この例示的な振動素子は、十字空間屈曲部（cross-void flexure）６０４を変形させるために、直角に設けられたＰＺＴアクチュエータ６００，６０２を使用する。これらの変形は、図６Ｂに示されるように曲げられた通路に沿って切削ツール１１０を移動させる。２つのＰＺＴアクチュエータ６００，６０２を、同一の振動数を有し且つ位相が異なる正弦波的に変動する信号で駆動することによって、この曲げられた通路が閉じられた楕円形になる。図２の例示的な振動素子の場合、これらの正弦波信号の振動数及び／又は位相差を変更することによって、この楕円形のツール通路の方向性及び楕円率が完全な円を含むように変更されてもよい。しかしながら、ツール先端部のツール通路は、ＰＺＴアクチュエータ２００，２０２が正弦波駆動信号で駆動される間は、概ね楕円形のままである。
【００１８】
図７Ａは、さらに別の振動素子１１４”を示している。この例示的な振動素子は、二次元振動ビーム７００に振動を起こさせるために、直角に設けられたＰＺＴアクチュエータ７０２を使用する。二次元振動ビーム７００は、結合ポイント７０４に堅固に結合されている。このため、図７Ｂに示すように、結合ポイント７０４に対応する結節部（nodes）を備える横方向の定常波（transverse standing waves）７０６が、２つの結合ポイント７０４間の中心ポイントで二次元横振動ビーム（two-dimensional transverse vibration beam）７００に結合されたＰＺＴアクチュエータ７０２によって駆動されてもよい。切削ツールホルダ１１２として機能するように構成された二次元振動ビーム７００の端部は、これらの定常波によって振動される。これらの振動は、切削ツール１１０の先端部を楕円形の通路に従って進めさせる。この楕円形のツール通路の楕円率及び方向性は、横方向の定常波７０６の直交する部品の相対的な振幅及び位相を変更することによって制御することができる。
【００１９】
図１及び図２に示すように、これらの例示的なＶＡＭシステムの１つ、例えば摂動ＰＺＴアクチュエータ１１６に、第３ＰＺＴアクチュエータを付加することは、ツール通路をより幅広い種類の形状に変更することを可能にする。望ましくは、摂動ＰＺＴアクチュエータ１１６の分極（移動）軸は、図２の上下方向、すなわち、ＰＺＴアクチュエータ２００，２０２の分極軸に概ね平行に配置されている。図３Ｂ及び図４Ｂは、図２に示すような全て正弦波電圧信号によって駆動される３つのアクチュエータを備えるスリーＰＺＴアクチュエータＶＡＭシステムを使用することにより得られる、例示的なツール通路を示している。ツール面の内外で工作物を作動する工作物位置での第３ＰＺＴアクチュエータの付加は、同一の意図された効果がある。
【００２０】
上記したように、図２に示すようなＰＺＴアクチュエータ２００，２０２を使用するツーアクチュエータＶＡＭシステムの楕円形のツールの動きは、定常状態（steady-state）で制御されるとき、入口／移行ゾーンを楕円の半分の長さに制限する。第３摂動ＰＺＴアクチュエータ１１６（又はＰＺＴアクチュエータ１０４）を使用することによって、別のツール通路が所望の要求に合うように作成される。図３Ａは、図１及び図２の構成を使用する例示的なＶＡＭシステムにおいて、ＰＺＴアクチュエータ２００，２０２，１１６（又は１０４）をそれぞれ駆動するために、振動制御回路１１８内の回路を駆動することによって提供される例示的な駆動信号３００，３０２，及び３０４の電圧対時間のプロットを示している。これらの３つの例示的な駆動信号のプロットは、等式１によって定義される。電圧と時間の両方が任意の単位で示されている。
【００２１】
Ｖ３００＝０．００３sin(ωｔ)
Ｖ３０２＝０．００３sin(ωｔ−９０°)          (1)
Ｖ３０４＝０．０００５５sin(２ωｔ)
【００２２】
この例において、駆動信号３００，３０２は、同じ基本振動数で振動し且つ同じストロークの振幅を有するが、これらの２つの信号は、互いに９０°位相がずれている。ＰＺＴアクチュエータ１１６（又は１１４）に供給される第３駆動信号３０４は、この例においては、より小さい振幅で且つ２倍の振動数を有している。当業者は、振動素子１１４に含まれる２つの並列するＰＺＴアクチュエータ２００，２０２を駆動するのに使用される基本振動数の整数倍とほぼ等しい振動数を駆動信号３０４が持つことが望ましいことに気付くだろう。このことは、切削ツール１１０の先端部がほぼ同じツール通路をサイクル毎に横断することを可能にする。この例の場合、摂動駆動信号３０４の振幅は、通常、振動素子１１４を駆動するのに使用される駆動信号３００，３０２の振幅よりも小さい。しかしながら、これらの振幅の比率は、与えられた状況及び目標を達成するのに要求されるツール通路の効果と同様に、ＰＺＴアクチュエータ２００，２０２に比べて、ＰＺＴアクチュエータ１１６（又は１０４）の圧電ゲイン（ｍｍ／Ｖ）の差に左右されるかもしれない。
【００２３】
図３Ｂは、例示的なＶＡＭシステムが例示的な駆動信号３００，３０２，及び３０４によって駆動されるときに、図１の例示的なＶＡＭシステムの切削ツール１１０の先端部に従うツール通路３０６を示している。駆動信号３０４が無ければ、ツール通路は、概ね楕円形である。しかしながら、駆動信号３０４を付加することによって、ツール通路３０６の上側（すなわち、切削ツールが表面を機械加工するときのサイクルの実際の部分）は、平らになっている。このことは、切削ツールの先端部が所望の切削深さにあるときの時間を増加させ、機械加工面の表面品質を改善する。また、このことは、同様なツーＰＺＴアクチュエータＶＡＭシステムと比較したとき、同じピークから谷までの高さを提供しつつ、増加した送り量での使用を可能にする。
【００２４】
さらに、移行ゾーン（切削ツールの先端部が材料に差し込まれる又は材料から抜かれるときのツール通路の一部）が短縮される。概ね楕円形のツール通路に対して、移行ゾーンは、この例〜．０１ＡＵにおいては、楕円形の長さの半分である。しかしながら、例示的なツール通路３０６の移行ゾーン３０８は、〜．００６５ＡＵだけである。このため、移行ゾーンは、この例では、〜３５％減少する。移行ゾーンは、表面上のほぼ垂直な外観を機械加工するためのＶＡＭシステムの能力に影響する。より短い移行ゾーンは、切断部の下部でのより鋭いエッジになり得る。
【００２５】
図４Ａは、図１及び図２の構造を有する例示的なＶＡＭシステムにおいて、ＰＺＴアクチュエータ２００，２０２，１１６（又は１０４）をそれぞれ駆動するために、振動制御回路１１８内の回路を駆動することによって提供される別の例示的な駆動信号４００，４０２，４０４一式の電圧対時間プロットを示している。これらの３つの例示的な駆動信号のプロットは、等式２によって定義される。電圧と時間の両方が任意の単位で示されている。
【００２６】
Ｖ４００＝０．００３sin(ωｔ)
Ｖ４０２＝０．００３sin(ωｔ−９０°)          (２)
Ｖ４０４＝０．０００１４sin(４ωｔ)
【００２７】
この例において、駆動信号４００，４０２は、図３Ａの駆動信号３００，３０２と同様である。ＰＺＴアクチュエータ１１６（又は１０４）に供給される第３駆動信号４０４は、より小さい振幅で且つ４倍の振動数を有している。
【００２８】
図４Ｂは、例示的なＶＡＭシステムが例示的な駆動信号４００，４０２，及び４０４によって駆動されるときに、図１の例示的なＶＡＭシステムの切削ツール１１０の先端部に従うツール通路４０６を示している。図３Ｂのツール通路３０６の場合と同じように、ツール通路４０６の上側は、図４Ｂでは平らになっている。例示的なツール通路４０６の移行ゾーン４０８は、〜．００７７５ＡＵであり、振動素子１１４の２つのＰＺＴアクチュエータだけ使用することにより発生する楕円形のツール通路よりも〜２２．５％削減される。
【００２９】
図３Ａ，図３Ｂ，図４Ａ，及び図４Ｂの例では、振動素子１１４のＰＺＴアクチュエータを駆動するのに使用される基準振動数の偶数次高調波（even harmonics）である摂動信号だけ含むが、奇数次高調波が同様に使用されても良いと考えられる。また、他の周期的な駆動信号が、摂動ＰＺＴアクチュエータ１０４及び／又は１１６を駆動するのに使用されてもよい。さらに、摂動ＰＺＴアクチュエータ１０４及び摂動ＰＺＴアクチュエータ１１６の両方を使用することによって、より複雑なツール通路を作成するようにしてもよい。例えば、ＭＡＴＬＡＢなどの計算ソフトウエアが、振幅、振動数、及び所望のツール通路を作成するのに必要とされる波形を決定するのに使用されてもよい。
【００３０】
上述したように、ツール通路の移行ゾーンは、「定常状態」において駆動されるときに、表面上のほぼ垂直な外観を機械加工するためのＶＡＭシステムの能力に影響する。さらに、移行ゾーンの長さ、及びツール通路の切削部分の「平面度」は、表面品質を犠牲にすることなく、ＶＡＭシステムのサイクル毎の最大送り距離に影響を与える。
【００３１】
なお、振動制御回路１１８は、切削ツール１１０の先端部と工作物１０８との間の距離を動的制御するように（又は、工作物１０８が機械加工されるときに切削ツール１１０によって形成される切削部の深さを制御するために）、摂動ＰＺＴアクチュエータ及び１０４／又は１１６にバイアス信号を供給するバイアス回路を有してもよい。なお、機械加工プロセスの動的制御のために摂動ＰＺＴアクチュエータ１０４及び／又は１１６を使用することは、ＶＡＭシステムのパラメータに変化（温度、振動、力などの変化）をもたらす可能性があり、結果としての表面品質に悪影響を与えるかもしれない。しかしながら、この動的制御の利点は、特に切削通路の始まりと終わりにおいて、起こり得る悪影響を上回ることができる。バイアス信号は、ほとんど垂直なエッジを持つ外観を作成するために、切削通路の始まり及び／又は終わりにおいて、摂動ＰＺＴアクチュエータ１０４及び／又は１１６に、ステップとして印加される。切削通路の期間中において、バイアス信号は概ね一定であってよく、周期的な摂動信号が摂動ＰＺＴアクチュエータ１０４及び／又は１１６に印加されてもよい。あるいは、バイアス信号は、ナノスケールの高さを有する表面外観、又は、例えばレンズやレンズ金型などの非平面のＶＡＭを可能にするために、切削通路の期間中に変更されてもよい。
【００３２】
本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムに利用され得る動的制御の別の例示的な形態は、機械加工プロセス中に摂動信号の位相及び／又は振幅を変更することを含む。そのような動的制御は、工作物の表面品質の異なる領域を変更するために、及び／又は、例示的なＶＡＭシステムの送入及び送出ゾーンを減らすために使用されるロケーションによって、ツール通路を変えることを可能にする。
【００３３】
図５Ａは、概ね楕円形のツール通路５００を備える従来のＶＡＭシステムを用いて機械加工された工作物１０８の表面を示している。この例において、概ね楕円形のツール通路５００は、１ｎｍの最大表面変位５０２を求められるときにツール通路の１サイクル間における最大送り距離５０４が０．７μｍとなるように、スケールされている。概ね楕円形のツール通路５００’は、切削ツール１１０がその初期位置からその１サイクル後の位置（点線の切削ツール１１０’）に移動するとき、ツール通路がどれくらいの距離、変化したかを示している。当業者は、送り動作のために、表面に機械加工されたパターンが僅かに拡大されていることに気付くだろう。しかしながら、図５Ａ−図５Ｃに示される近似（approximations）は、異なるツール通路に関連する差異を示している。
【００３４】
図５Ｂ及び図５Ｃは、例示的なツール通路３０６，４０６が送り量及び表面品質にどれくらいの影響を及ぼすかを示している。ツール通路３０６の切削部分（すなわち、切削ツール１１０が工作物１０８「内」に位置するとき）は概ね平らであるので、ピークから谷の効力（effect）は、より速い送り速度を可能にする楕円形よりもずっと少ない。図５Ｂに示されるように、１ｎｍの所望の最大表面変動５０２を想定すると、ツール通路３０６の１サイクル間の最大送り距離５０６は、７μｍに増加する。図５Ｃは、例示的なツール通路４０６を使用することの効果を示している。ツール通路４０６の１サイクル間の最大送り距離５０８は、４．５μｍである。
【００３５】
従って、摂動ＰＺＴアクチュエータ１０４（及び１１６）を使用するツール通路の形状を変更することは、移行ゾーンを要求通り減らし、表面品質を犠牲にすること無く、より速い機械加工速度を可能にする。
【００３６】
なお、圧電材料は、それらの分極軸に沿って圧力を受けたとき、電圧を生じさせる。このため、図１の例示的なシステムのＰＺＴアクチュエータ１０４又は１１６の１つが工作物１０８の近くで残りの力を決めるためにセンサとして使用されても良いことが、さらに考えられる。このＰＺＴアクチュエータは、切削ツール１１０の先端部と工作物１０８との間の圧力を示すＰＺＴアクチュエータからの信号を受信するために、振動制御回路１１８内のセンサ回路に電気的に結合されてもよい。過剰な力は、工作物にダメージを与える一方で、過小な力は工作物の非効率な機械加工又はシステムの問題を示すかもしれない。従って、機械加工プロセスを最適化するために、この力の測定が利用されることが望ましい。
【００３７】
図８は、本発明にかかる別の例示的なＶＡＭシステムを示している。この例示的な実施形態では、概ね楕円形のツール通路を作成するために独立して動作する２つの直角に設けられたＰＺＴアクチュエータが使用される。２つの前記独立して動作するＰＺＴアクチュエータを使用するＶＡＭシステムは、ここで参照することにより組み込まれる（松下電器産業株式会社で出願された）米国出願番号１１／２２１，０４１：２つの独立した軸を用いる振動加工の方法及び装置に開示されている。
【００３８】
これらの２つの独立して動作し且つ直角に設けられたＰＺＴアクチュエータは、図１の例示的なＶＡＭシステムの振動素子１１４に対応している。本発明の例示的な実施形態において、これらのＰＺＴアクチュエータのそれぞれは、望ましくは、駆動回路１１８によって作成される正弦波信号によって駆動される。これらの信号は、同じ振動数を有することが望ましいが、異なる位相、及び可能な限り異なる振幅を有してもよい。
【００３９】
ＰＺＴアクチュエータ（複数）は、振動素子８００として互いに設けられ、切削ツール１１０に関連する概ね楕円形の通路に沿って工作物を並進させるように駆動されてもよいし、あるいは、振動素子８０２内に互いに設けられ、概ね楕円形のツール通路に沿って切削ツール１１０を並進させるように駆動されてもよい。また、一方のＰＺＴアクチュエータが、切削ツール１１０に関連して１方向に工作物１０８を振動させるように振動素子８００内に設けられ、他方のＰＺＴアクチュエータ１０８が、直交方向に切削ツール１１０を振動させるように振動素子８０２内に設けられてもよい。同時のこれらの並進は、工作物１０８と切削ツール１１０との間に概ね楕円形の相対移動を生じさせる。
【００４０】
本発明の例示的な実施形態において、これら２つのＰＺＴアクチュエータは、機械加工プロセスの間、工作物１０８と切削ツール１１０との間に概ね楕円形の相対移動を生じさせるように、「定常状態」で駆動されることが望ましい。しかしながら、図８の例示的なＶＡＭシステムは、摂動ＰＺＴアクチュエータ１０４及び／又は１１６も有している。摂動ＰＺＴアクチュエータ１０４及び／又は１１６は、図１の例示的なＶＡＭシステムに対して上述したように、工作物１０８と切削ツール１１０との間に改善された相対移動をうまく導けるように、「定常状態」で駆動されてもよい。さらに、摂動ＰＺＴアクチュエータ１０４及び／又は１１６は、図１の例示的な実施形態に対して上述したように、ＶＡＭプロセスの動的制御を提供するために使用されてもよい。 
【００４１】
別の例示的な実施形態において、摂動ＰＺＴアクチュエータ１０４及び／又は１１６は、１以上のＰＺＴ素子を有してもよいと考えられる。例えば、ＰＺＴアクチュエータ１１６は、積層構造（すなわち、端から端まで）の２つのＰＺＴ素子を有し、ＰＺＴアクチュエータ１１６が２つの摂動振動を生じさせることが可能なようしてもよい。これらの２つの摂動振動の振動数、位相、及び／又は振幅は、振動制御回路１１８からの駆動信号を分離することによって、別々に制御することができる。別の例では、図２の例示的な実施形態において、ＰＺＴアクチュエータ２００，２０２の１つに各々結合された並列構造の２つのＰＺＴ素子をＰＺＴアクチュエータ１１６が有してもよい。ＰＺＴアクチュエータ１１６の２つのＰＺＴ素子は、同じ駆動信号によって駆動されてもよく、この構造は、摂動ＰＺＴアクチュエータが増加された力を発生することを可能にする。また、ＰＺＴアクチュエータ１１６の２つのＰＺＴ素子は、本発明にかかる例示的なＶＡＭシステムにおいて改善されたツール通路の制御を提供するために、分離された駆動信号によって駆動されてもよい。
【００４２】
本発明には、３つ以上のＰＺＴアクチュエータを有する多数のＶＡＭシステムが含まれる。ここでは特定の実施形態を参照しながら本発明を図示し記述したが、ここに示した詳細に限定する意図はない。むしろ、特許請求の範囲に相当するものの範囲内で、本発明から逸脱することなく、様々な変更が可能である。特に、当業者は、本発明が４つ以下のＰＺＴアクチュエータを備えるＶＡＭシステムに限定されず、具体的に図示された様々な実施形態の多くの他の特徴が、本発明によって具体化された付加的な例示的ＶＡＭシステムを形成するために混合されてもよいことに気付くだろう。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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