(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、給電電極と、工作電極と、周波数制御部とを備えており、
前記電源は、所定の周波数を持つ電源電圧を、前記給電電極と、前記工作電極によって放電加工される工作物との間に印加する構成となっており、
前記給電電極と前記工作電極とは、電気的に絶縁されて、両者間に給電容量が形成された構成となっており、
前記工作電極は、前記工作物に面して配置され、両者間の放電によって、前記工作物を加工できる構成となっており、
前記電源から給電される前記電源電圧の前記周波数は、前記工作電極と前記工作物との間の放電によって生じるプラズマ状態が維持できる程度に高い周波数とされており
前記周波数制御部は、
前記工作電極と前記工作物との間に発生した交流電圧の振幅を測定する処理と、
前記交流電圧の振幅が、前記放電が生じるときの電圧振幅となるように、前記電源から供給される前記電源電圧の周波数を設定する処理とを行う構成とされている
放電加工装置。
【請求項２】
前記周波数制御部は、さらに、
前記電源電圧の周波数を設定する処理を行い、かつ、所定の周期数又は時間が経過した後に、前記電源電圧の印加を休止し、その後再び、前記電源電圧を印加する処理を行う
請求項１に記載の放電加工装置。
【請求項３】
前記周波数制御部は、さらに、
前記工作電極と前記工作物との間に発生した前記交流電圧の振幅が、前記放電が生じたときの電圧振幅となってから、それ以降の周期数が既定数に達したことにより、前記した所定の周期数を判定する
請求項２に記載の放電加工装置。
【請求項４】
前記工作電極は、ワイヤ放電加工において用いられるワイヤである
請求項１〜３のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【請求項５】
前記工作電極は、それ自体の軸を中心として回転可能とされている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【請求項６】
電源と、給電電極と、工作電極とを備え、
前記給電電極と前記工作電極とが電気的に絶縁されて、両者間に給電容量が形成された放電加工装置を用いており、かつ、以下のステップを備える放電加工方法：
（１）電源から、電源電圧を、前記給電電極と、前記工作電極によって放電加工される工作物との間に印加するステップ；
（２）前記電源から供給される電源電圧の周波数を設定することにより、前記工作電極と前記工作物との間で維持されるプラズマ状態を利用して連続的な放電を生じさせて、前記工作物を加工するステップ、
ここで、前記電源から供給される電源電圧の周波数を設定する処理は、
前記工作電極と前記工作物との間に発生した交流電圧を測定する処理と、
前記交流電圧の振幅が、前記放電が生じるときの電圧振幅となるように、前記電源から供給される前記電源電圧の周波数を設定する処理とを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作物に対して放電加工を行うための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
静電誘導給電を用いた放電加工（下記非特許文献１及び特許文献１参照）では、電極への非接触給電が可能であるため、高速回転する電極への給電が容易である。微細放電加工においては、
・電極を高速回転させることにより加工液による加工屑の排出や加工間隙の冷却が促進されること、及び
・電極間の相対運動によって、放電点が電極面上で分散すること
により、加工屑を介した短絡や電極表面の局所的温度上昇を抑制できると考えられている。
【０００３】
これまでの研究（下記非特許文献２）では、電極を高速回転させることにより、加工速度を改善できることがわかっている。また、電極が低速回転する場合には、加工物と電極側面との間のギャップに加工屑が介在し、この加工屑を介して放電が生じて、穴の断面形状がテーパ状となったり、穴径が大きくなってしまうという問題がある。これに対して、下記非特許文献２では、電極を高速回転させることにより、ギャップ間の加工屑を排除できるので、形成される穴の真円度や真直度を向上させることができ、径の小さい穴を精度良く形成できる。しかし、この方法では、電極へ非接触で給電しているので、放電エネルギーを自在に変化させることが構造的に難しいという問題がある。特に、比較的大きな放電エネルギーを得ることが困難であった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】M. Kunieda, A. Hayasaka, X. D. Yang, S. Sano and I. Araie: Study on Nano EDM Using Capacity Coupled Pulse Generator, Annals of the CIRP, 56, 1, (2007), pp.213-216
【非特許文献２】矢萩優名, 小谷野智広, 国枝正典, 楊暁冬: 静電誘導給電による高速回転電極を用いた微細放電加工,精密工学会誌, 77, 4, (2011), pp.394-399
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２６３９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記した課題に対応してなされたものである。本発明の主な目的は、静電誘導給電を用いた放電加工装置において、一つの放電点に対して比較的に大きな放電エネルギーを提供することが可能な技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。
【０００８】
（項目１）
電源と、給電電極と、工作電極とを備えており、
前記電源は、所定の周波数を持つ電源電圧を、前記給電電極と、前記工作電極によって放電加工される工作物との間に印加する構成となっており、
前記給電電極と前記工作電極とは、電気的に絶縁されて、両者間に給電容量が形成された構成となっており、
前記工作電極は、前記工作物に面して配置され、両者間の放電によって、前記工作物を加工できる構成となっており、
前記電源から給電される前記電源電圧の前記周波数は、前記工作電極と前記工作物との間の放電によって生じるプラズマ状態が維持できる程度に高い周波数である
放電加工装置。
【０００９】
（項目２）
電源と、給電電極と、工作電極と、周波数制御部とを備えており、
前記電源は、前記周波数制御部で制御された周波数を持つ電源電圧を、前記給電電極と、前記工作電極によって放電加工される工作物との間に印加する構成となっており、
前記給電電極と前記工作電極とは、電気的に絶縁されて、両者間に給電容量が形成された構成となっており、
前記工作電極は、前記工作物に面して配置され、両者間の放電によって、前記工作物を加工できる構成となっており、
前記周波数制御部は、
前記工作電極と前記工作物との間に発生した交流電圧を測定する処理と、
前記交流電圧の振幅波形が、前記放電が生じるときの電圧振幅となるように、前記電源から供給される電源電圧の周波数を高める処理とを行う
放電加工装置。
【００１０】
（項目３）
電源と、給電電極と、工作電極と、周波数制御部とを備えており、
前記電源は、前記周波数制御部で制御された周波数を持つ電源電圧を、前記給電電極と、前記工作電極によって放電加工される工作物との間に印加する構成となっており、
前記給電電極と前記工作電極とは、電気的に絶縁されて、両者間に給電容量が形成された構成となっており、
前記工作電極は、前記工作物に面して配置され、両者間の放電によって、前記工作物を加工できる構成となっており、
前記周波数制御部は、
前記工作電極と前記工作物との間に発生した交流電圧を測定する処理と、
前記交流電圧の振幅波形に基づいて、前記交流電圧の半周期毎の放電遅れ時間がなくなるように、前記電源から供給される電源電圧の周波数を高める処理とを行う
放電加工装置。
【００１１】
（項目４）
前記周波数制御部は、さらに、
前記電源電圧の周波数を高める処理を行い、かつ、所定の周期数又は時間が経過した後に、前記電源電圧の印加を休止し、その後再び、前記電源電圧を印加する処理を行う
項目２又は３に記載の放電加工装置。
【００１２】
（項目５）
前記周波数制御部は、さらに、
前記工作電極と前記工作物との間に発生した前記交流電圧の振幅が、前記放電が生じたときの電圧振幅となってから、それ以降の周期数が既定数に達したことにより、前記した所定の周期数を判定する
項目４（項目２に従属の場合）に記載の放電加工装置。
【００１３】
（項目６）
前記周波数制御部は、さらに、
前記工作電極と前記工作物との間に発生した前記交流電圧において、半周期毎の放電遅れ時間がなくなってから、それ以降の周期数が既定数に達したことにより、前記した所定の周期数を判定する
項目４（項目３に従属の場合）に記載の放電加工装置。
【００１４】
（項目７）
前記工作電極は、ワイヤ放電加工において用いられるワイヤである
項目１〜６のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【００１５】
（項目８）
前記工作電極は、それ自体の軸を中心として回転可能とされている
項目１〜７のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【００１６】
（項目９）
電源と、給電電極と、工作電極とを備え、
前記給電電極と前記工作電極とは、電気的に絶縁されて、両者間に給電容量が形成されて放電加工装置を用いており、かつ、以下のステップを備える放電加工方法：
（１）電源から、電源電圧を、前記給電電極と、前記工作電極によって放電加工される工作物との間に印加するステップ；
（２）前記電源から供給される電源電圧の周波数を高めることにより、前記工作電極と前記工作物との間で維持されるプラズマ状態を利用して連続的な放電を生じさせて、前記工作物を加工するステップ。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、静電誘導給電を用いた放電加工装置において、一つの放電点に対して比較的に大きな放電エネルギーを提供することが可能な技術を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態における放電加工装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】図（ａ）は、電源電圧の波形を示し、図（ｂ）は、工作物と工作電極との間の電圧の波形を示し、図（ｃ）は、放電電流の波形を示している。
【図３】電源電圧の周波数が低い場合における、電源電圧波形と放電電流との関係を示す図である。
【図４】本実施形態の実施例における実験条件を示す表である。
【図５】実施例における実験結果を示すグラフである。
【図６】実施例における実験結果を示す説明図である。
【図７】本発明の変形例における放電加工装置の概略的な構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る放電加工装置（以下、「加工装置」と略称することがある）について説明する。
【００２０】
（放電加工装置の構成）
本実施形態の加工装置は、電源１と、給電電極２と、工作電極３と、周波数制御部４とを備えている（図１参照）。また、図１では、この加工装置によって加工される工作物に符号１０を付している。
【００２１】
電源１は、周波数制御部４で制御された周波数を持つ電源電圧を、給電電極２と、工作電極３によって放電加工される工作物１０との間に印加する構成となっている。
【００２２】
給電電極２と工作電極３とは、電気的に絶縁されて、両者間に給電容量Ｃ１が形成されている。具体的には、本実施形態においては、給電電極２と工作電極３との間には空気あるいはオイルや脱イオン水のような誘電体物質が介在しており、この誘電体物質によって両者間が絶縁されている。また、本実施形態では、給電電極２と工作電極３との間の誘電体物質としては空気が用いられている。そして、本実施形態では、工作電極３が給電電極２及び工作物１０に対して相対移動できるようになっている。
【００２３】
本実施形態では、工作電極３は、工作物１０に面し、かつ、僅かに離間して配置されている。これにより、本実施形態においては、工作電極３と工作物１０との間の放電によって、工作物１０を加工できるようになっている。また、工作電極３と工作物１０との間の空間には、通常、誘電体物質（例えばオイルや脱イオン水）が充填されており、両者間の電圧が高くなると、絶縁破壊によって放電を生じるようになっている。
【００２４】
さらに、本実施形態の工作電極３は、それ自体の軸を中心として回転可能とされている。
【００２５】
周波数制御部４は、電圧検出部４１と、周波数調整部４２と、放電カウント部４３とを備えている（図１参照）。周波数制御部４は、以下の処理を行う構成となっている。
・電圧検出部４１により、工作電極３と工作物１０との間に発生した交流電圧を測定する処理；
・「測定された交流電圧の振幅が、工作電極と工作物との間で放電したときの電圧振幅に達する」まで、周波数調整部４２が、電源から供給される電源電圧の周波数を高める処理；
・「交流電力の周波数を高める処理を行い、かつ、所定の周期数が繰り返された後」に、周波数調整部４２が、電源電圧の印加を休止し、その後再び、電源電圧を印加する処理。
【００２６】
ここで、本実施形態では、放電カウント部４３が、「工作電極３と工作物１０との間に発生した交流電圧の振幅が、放電時の電圧振幅に達してから、それ以降の周期数が既定数に達したことにより、前記した所定の周期を判定する」構成となっている。また、放電カウント部４３は、放電の有無を検出することもできるが、放電検出用の放電検出部を別途設ける構成も可能である。
【００２７】
周波数制御部４の詳しい動作については後述する。
【００２８】
（放電加工装置の動作）
次に、前記した放電加工装置の動作を、図２をさらに参照しながら説明する。
【００２９】
（電源電圧の印加）
まず、電源１により、電源電圧を、給電電極２と工作物１０との間に印加する（図２（ａ）参照）。ここで、給電電極２と工作電極３とは、誘電体（例えば空気）を介して対向しているので、両者間に形成された静電容量に応じて、両者の対向表面に電荷が誘導される。電源電圧は交流とされているので、電源電圧の変動に応じて、工作電極３に交流電圧を発生させることができる。そして、その結果、本実施形態においては、工作電極３と工作物１０との間に交流電圧を発生させることができる。この交流電圧により、後述のように、放電を生じさせることが可能となる。
【００３０】
（交流電圧の測定）
ついで、周波数制御部４の電圧検出部４１により、工作電極３と工作物１０との間に発生した交流電圧（以下「加工ギャップ電圧」と称する）を測定する。測定される交流電圧波形の一例を図２（ｂ）に示す。この加工ギャップ電圧が、工作電極３と工作物１０との間の絶縁耐圧を超え、かつ、統計的にばらつく放電遅れ時間を経過すると、両者間に放電を生じる。この放電遅れ時間は、ギャップ長（工作電極と工作物との間の距離）や、ギャップ中の加工屑濃度により変動する。放電により流れる電流のパルス状波形の一例を図２（ｃ）に示す。図２の例では、交流電圧の１周期に相当する放電遅れ時間後に最初の放電が生じた場合を示している。なお、図２に示した放電遅れ時間は、放電が生じる半周期の外側の遅れ時間である。したがってこれは、後述する「交流電圧の半周期毎の放電遅れ時間」とは異なる。
【００３１】
（電源電圧周波数の調整）
ついで、工作電極３と工作物１０との間で測定された交流電圧に応じて、電源電圧の周波数を調整する。この処理を以下に詳しく説明する。
【００３２】
まず、前提として、電源電圧の周波数が低い場合を説明する（図３参照）。この場合、電源電圧の絶対値が上昇しても、すぐには放電は生じないことが多く、微小時間の間、電源電圧値に対応して、高電圧状態を維持する。そして、放電が起きた時（図３（ｂ）参照）、絶縁破壊が生じたため、工作電極３と工作物１０との間の加工ギャップ電圧は低下する（図３（ａ）参照）。そして、極性反転が生じたとき、図２（ａ）に示す電源電圧の振幅Ｗ１だけ加工ギャップ電圧が変動する。したがって、電源電圧の周波数が低い場合であって、かつ、放電が断続的に生じている場合における、加工ギャップ電圧の値は、図３（ａ）に示すように、放電遅れ時間中は、工作物に対して、±（Ｗ１−Ｗ２／２）、放電した後は±Ｗ２／２となるような振幅の波形を順次繰り返すこととなる。なお、静電誘導放電加工においては、電源電圧の振幅がＷ１とすると、その電圧が損失無く加工ギャップに印加されると考えて良い。また、一旦放電が生じると、加工ギャップ電圧は、例えば１００Ｖから２０Ｖまで低下する（この電圧はあくまで一例であり、また、逆極性であっても同様である）。そこで、電源電圧がＷ１の振幅で極性反転すると、低下した加工ギャップ電圧（例えば２０Ｖ）を基準として、Ｗ１の幅で変動する（つまりオフセットがある）。このため、振幅において、前記のような現象を生じる。図３（ａ）の例では、加工ギャップ電圧の半周期毎に放電遅れ時間が存在し、その後に放電を生じている。
【００３３】
しかしながら、本発明者の知見によれば、電源電圧の周波数が十分に高い場合、加工ギャップ電圧の値は、放電に対応した振幅Ｗ２を繰り返し、振幅２（Ｗ１−Ｗ２／２）には、ほとんど戻らない。これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、電源電圧の周波数が十分高い場合には、放電時のプラズマ状態が解消する前に、加工ギャップ電圧の値（絶対値）を上昇させることができる。放電時のプラズマ状態が維持されている場合には、工作電極３と工作物１０との間の絶縁耐圧が低くなっているので、加工ギャップ電圧がＷ１−Ｗ２／２に達する前に、振幅Ｗ２／２に達した時点で、放電が生じると考えられる。このため、加工ギャップ電圧の値は、小さな振幅Ｗ２を繰り返すものと考えられる。
【００３４】
そこで、本実施形態では、電圧検出部４１により、加工ギャップ電圧の値を測定しつつ、周波数調整部４２により、電源１からの印加電圧の周波数を上昇させる。電源１からの印加電圧の周波数が高くなると、加工ギャップ電圧が、振幅２（Ｗ１−Ｗ２／２）に至らず、振幅Ｗ２を維持するので、電圧検出部４１によりこれを検出し、その時点での電圧の周波数（あるいはそれ以上の周波数）を、周波数調整部４２により維持する。
【００３５】
このようにして、本実施形態では、加工ギャップ電圧の振幅が、放電時の電圧振幅となるまで、電源１から供給される電源電圧の周波数を高めることにより、工作電極３と工作物１０との間で連続的な放電を生じさせて、工作物１０を加工することが可能となる。
【００３６】
（放電数のカウント）
さらに、本実施形態では、放電カウント部４３により、高周波の電圧印加により生じた放電の回数を数える。これは、電圧検出部４１で検出された電圧振幅（本例では放電時の振幅Ｗ２）で繰り返される周期をカウントすることにより実行可能である。
【００３７】
そして、放電数が所定数（通常は、ユーザにより予め決められているが、何らかの条件に応じて動的に設定する構成も可能である）に達すると、周波数調整部４２により、電源１からの電圧印加を休止する。休止期間は、放電によって生じるプラズマ状態が解消しうる程度の時間でよく、通常はごく短い時間となる。実施条件にもよるが、例えば数μｓ〜数十μｓ程度の周期で放電期間と休止期間とを繰り返すことができると考えられる。
【００３８】
振幅Ｗ２で生じる放電を続けている間は、同じプラズマ状態を利用した放電（つまり同じ箇所への放電）が行われていると考えられるので、同じ放電箇所への積算の放電エネルギーを増大させることができる。従来の静電誘導給電では、同じ放電箇所への加工エネルギーが小さいという問題があった。これに対して、本実施形態では、前記したように印加電圧の周波数を制御することによって、同じ放電点に対して、複数回の放電を行うことができ、これによって、実質的に、同じ放電箇所への加工エネルギーを増大させることができるという利点がある。これにより、同じ放電箇所への加工量を増加させることができる。したがって、前記のような小さい振幅Ｗ２となるように高い周波数を保つことは、「工作電極と工作物との放電によって生じるプラズマ状態が維持できる程度に高い周波数とする」ことに相当する。
【００３９】
また、本実施形態では、放電の休止期間を意図的に設けることにより、放電点（すなわち加工箇所）を移動させることができるという利点もある。
【００４０】
（実施例）
前記した実施形態の構成を有する放電加工装置を用い、かつ、図４に示す実験条件において、放電加工を行った。なお、図４において「Modulation frequency」とは、前記した休止期間が挿入されるタイミングを意味する。例えば、２０ｋHzであれば、２５μｓの間、高周波電圧を印加し、続く２５μｓの間、電圧印加を休止するということである。結果を図５及び図６に示す。なお、工作電極としては、φ125μmのタングステン軸を用い、工作物としては、炭素鋼を用いた。
【００４１】
図５（ａ）に示されるように、電源周波数が１MHzでは、連続的な放電が生じておらず、断続的な放電が生じた瞬間以外は、大きな振幅Ｗ１が印加されている。
【００４２】
一方、図５（ｂ）に示されるように、電源周波数を１０MHzまで上昇させると、初期には放電が起きず、そのため加工ギャップ電圧の振幅も大きい（つまりＷ１）が、やがて連続的な放電が生じ、それに伴って加工ギャップ電圧の振幅が小さく（つまりＷ２）なる。したがって、加工ギャップ電圧を測定することにより、連続的な（つまり同じ加工点への）放電回数を計測することができる。
【００４３】
図６には、放電加工によって得られた加工形状を示す。1MHz（図６（ａ））では、放電点が分散するために、浅い加工穴しか得られていないが、10MHz（（図６（ｃ））では、ある程度の周期数の間は、放電点が集中したために、そのような連続放電の累積により、同じ長さの加工時間中に、深い加工穴を得ることができた。図６（ｂ）では、中間の深さの加工穴を得ることができた。これにより、本実施形態の装置において、大きな加工エネルギーを得られることが判る。なお、図６（ｃ）の穴径が大きいのは、異常放電によって電極に溶着が生じたためであり、これは、変調周波数（つまり放電休止が入るタイミング）を適切に制御すれば防ぐことができると考えられる。
【００４４】
また、本実施形態では、加工ギャップ電圧の振幅を用いて、放電状態を判定している。加工ギャップ電圧は、直流成分を持つ（つまりオフセットされる）ことがあるので、振幅を用いることで、正確な判定が可能になるという利点がある。
【００４５】
（変形例１）
前記した実施形態においては、工作電極３として、軸回りに回転する電極を用いた。しかしながら、工作電極として、ワイヤ放電加工において用いられるワイヤを用いることができる。この例を変形例１として図７に示す。ここで、工作電極には、符号２０３を付している。工作電極２０３を構成するワイヤは、一方向（図示の例では上から下への方向）に移動するようになっている。
【００４６】
また、この例において、ワイヤには、給電電極２ａ及び２ｂによって、誘電体（例えば適宜なオイルや脱イオン水、あるいは空気）を介して給電できるようになっている。
【００４７】
さらに、図７において、符号２１及び２２は、ワイヤを案内するためのガイドを示す。
【００４８】
従来のワイヤ放電加工においては、ワイヤを移動させつつ、給電子に接触させるので、給電子が摩耗し、これによって、ワイヤの走行経路が微小に変化するおそれがある。このような経路変化があると、放電加工の精度が劣化するという問題がある。
【００４９】
これに対して、この変形例１の装置によれば、ワイヤと給電電極とが非接触なので、ワイヤの走行経路の変化を避けることができるという利点がある。他の利点は、前記した実施形態と同様なので、詳しい説明を省略する。また、前記以外の構成は、従来のワイヤ放電加工機と同様とすることができる。
【００５０】
（変形例２）
前記した実施形態の周波数制御部は、交流電圧（加工ギャップ電圧）の振幅が、放電が生じたときの電圧振幅となるように、電源から供給される電源電圧の周波数を高める処理を行っていた。しかしながら、電源から給電される電源電圧の周波数は、工作電極と工作物との放電によって生じるプラズマ状態が維持できる程度に高い周波数であればよい。この条件を満たせば、実質的に同じ放電点への連続放電を実現できるからである。
【００５１】
したがって、周波数制御部としては、前記した構成に代えて、「交流電圧の振幅波形に基づいて、交流電圧の半周期毎の放電遅れ時間がなくなるまで、電源電圧の周波数を高める構成」とすることができる。この場合、「放電遅れ時間」の確認が必要なので、放電が生じたタイミングの確認も必要である。この確認は、例えば放電カウント部により行うことができるが、放電を確認するための機能要素を別途設けることも可能である。電源電圧の立ち上がりから放電タイミングまでの遅れ時間に基づいて、「半周期毎の放電遅れ時間」を確認することができる。
【００５２】
プラズマ状態が維持できる程度に高い周波数かどうかを判定する手法としては、他にも、加工ギャップ電圧をハイパスフィルタを通し、オフセットを除いた後で二乗した値の平均値を比較するなど、適宜の方法を採用できる。
【００５３】
なお、本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得るものである。
【符号の説明】
【００５４】
１  電源
２・２ａ・２ｂ  給電電極
３・２０３  工作電極
４  周波数制御部
４１  電圧検出部
４２  周波数調整部
４３  放電カウント部
１０  工作物
【図１】
0006032726.tif 000002
【図２】
0006032726.tif 000003
【図３】
0006032726.tif 000004
【図４】
0006032726.tif 000005
【図５】
0006032726.tif 000006
【図６】
0006032726.tif 000007
【図７】
0006032726.tif 000008