(57)【要約】  複数のスイッチング素子を並列に並べてサイクリックにオンオフする場合に、負荷が非線形に変動しても安定した電圧パルス出力が得られる高周波電源発生装置を得るために、本発明の高周波電源発生装置では、スイッチング素子群（６ａ），（６ｂ）はサイクリックにオンオフ動作させる複数のスイッチング素子を並列接続した構成であって、直流電源（５）の＋電極端にスイッチング素子群（６ａ）の一方の並列接続端が接続され、直流電源（５）の−電極端にスイッチング素子群（６ｂ）の一方の並列接続端が接続され、スイッチング素子群（６ａ），（６ｂ）の各他方の並列接続端は、リアクトル（７）を通して接続され、スイッチング素子群（６ａ），（６ｂ）でのサイクリックなオンオフ動作によりリアクトル（７）の両端に現れるパルス電圧は、同軸ケーブル（８）、整合回路（９）を通して負荷に印加される構成とした。
2012169337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
サイクリックにオンオフ動作させる複数のスイッチング素子を並列接続したスイッチング素子群であって一方の並列接続端が前記直流電源の一方の電極端に接続されるスイッチング素子群と、
前記スイッチング素子群の他方の並列接続端と前記直流電源の他方の電極端との間を接続する第１のインダクタンス素子と、
前記第１のインダクタンス素子の両端に現れるパルス電圧を負荷に供給する経路に設けられる整合回路と
を備えたことを特徴とする高周波電源発生装置。
【請求項２】
前記スイッチング素子群として第１および第２のスイッチング素子群を有し、
前記第１のスイッチング素子群の一方の並列接続端が前記直流電源の正極端に接続され、他方の並列接続端が前記第１のインダクタンス素子の一方の端子に接続され、
前記第２のスイッチング素子群の一方の並列接続端が前記直流電源の負極端に接続され、他方の並列接続端が前記第１のインダクタンス素子の他方の端子に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の高周波電源発生装置。
【請求項３】
前記整合回路と前記第１のインダクタンス素子との間はケーブルで接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波電源発生装置。
【請求項４】
前記整合回路は、
インダクタンス素子と、前記インダクタンス素子の両端に配置される２つのコンデンサとによるπ型構成である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の高周波電源発生装置。
【請求項５】
直流電源と、
サイクリックにオンオフ動作させる複数のスイッチング素子を並列接続したスイッチング素子群であって一方の並列接続端が前記直流電源の一方の電極端に接続されるスイッチング素子群と、
一端が前記スイッチング素子群の他方の並列接続端に接続され、他端が前記直流電源の他方の電極端と負荷との間の接続ラインに接続される第２のインダクタンス素子と、
前記第２のインダクタンス素子の一端と前記負荷との間に介在する可変コンデンサと
を備えたことを特徴とする高周波電源発生装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子群として第１および第２のスイッチング素子群を有し、
前記第１のスイッチング素子群の一方の並列接続端が前記直流電源の正極端に接続され、他方の並列接続端が前記第２のインダクタンス素子の一方の端子に接続され、
前記第２のスイッチング素子群の一方の並列接続端が前記直流電源の負極端に接続され、他方の並列接続端が前記第２のインダクタンス素子の他方の端子に接続されている
ことを特徴とする請求項５に記載の高周波電源発生装置。
【請求項７】
前記第１および第２のスイッチング素子群と前記第２のインダクタンス素子との間はケーブルで接続されていることを特徴とする請求項６に記載の高周波電源発生装置。
【請求項８】
前記スイッチング素子群を構成する複数のスイッチング素子の各他端は、直接接続されておらず、それぞれ第３のインダクタンス素子を介して接続されて前記他方の並列接続端を構成していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の高周波電源発生装置。
【請求項９】
前記スイッチング素子群を構成する複数のスイッチング素子の各他端は、それぞれコンデンサを介して前記直流電源の他方の電極端に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の高周波電源発生装置。
【請求項１０】
前記スイッチング素子群の他方の並列接続端側と前記直流電源の他方の電極端側とのいずれか一方側から前記負荷への接続は、ケーブル線接続と金属板状にした面接続とのいずれか一方の接続を用い、
前記スイッチング素子群の他方の並列接続端側と前記直流電源の他方の電極端側とのいずれか他方側から前記負荷への接続は、ケーブル線接続と金属板状にした面接続とのいずれか他方の接続を用いる
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の高周波電源発生装置。
【請求項１１】
前記整合回路は、
固定コンデンサとスイッチの直列回路の複数を並列接続した構成とリアクトル素子とで構成されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の高周波電源発生装置。
【請求項１２】
前記リアクトル素子は、
片端側に接続された固定コンデンサとスイッチの直列回路の複数を並列接続した構成を含めた全体がリアクトル素子として機能する
ことを特徴とする請求項１１に記載の高周波電源発生装置。
【請求項１３】
並列配置される前記複数の固定コンデンサは、それぞれの容量値にバイナリの重み付けがなされていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の高周波電源発生装置。
【請求項１４】
前記整合回路の整合定数は、出力周波数を発振周波数のｎ倍とするように調整されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の高周波電源発生装置。
【請求項１５】
前記負荷は、放電加工装置であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の高周波電源発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波パルスを発生する高周波電源発生装置に関し、特に放電加工装置を始めとする非線形に変動する負荷に対して、高周波パルスを印加するための高周波電源発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
放電加工装置は、加工用電極と被加工物との間の電極間隙にアーク放電を発生させることにより被加工物の加工を行う装置である。放電加工装置では、電極間隙にアーク放電を発生させるために用いられる加工用電源の構成に関しては、従来から、種々のものが存在している。【０００３】
特に、電極間隙に高周波パルスを印加すると加工面を超微細に仕上げることができることから、仕上げ加工用の電源としては、高周波パルスを発生する高周波電源発生装置が用いられており、種々の構成例が提案されている（例えば、特許文献１，２，３等）。【０００４】
まず、特許文献１では、被加工物と放電加工用電極との間の電極間隙に所定のパルス電圧を印加するための放電加工用電源装置において、電源と、予め定められた周期でオンオフ動作するスイッチング手段と、電源およびスイッチング手段と直列に接続されたインダクタンス素子と、を備え、インダクタンス素子の両端が、被加工物、放電加工用電極と電気的に接続され、スイッチング手段オン時には、電源と接続されることによりエネルギーがインダクタンス素子に蓄積され、スイッチング手段オフ時には、インダクタンス素子に蓄えられたエネルギーを逆誘導起電力に基づき電極間隙に供給する例が開示されている。【０００５】
特に、このスイッチング手段は、複数のスイッチング手段を並列に並べたスイッチ群で構成し、スイッチ群の各スイッチング手段をＡ→Ｂ→Ｃ→Ａ→Ｂ→・・・というようにサイクリックにオンオフ動作させることにより、単位時間あたりのスイッチング１素子あたりの負荷を軽減できるとしている。【０００６】
また、特許文献２，３では、高周波交流電源を用いた微細加工電源の構成例が開示されている。すなわち、特許文献２では、高周波交流電源と加工槽との間は、同軸ケーブルで接続されており、その特性インピーダンスと加工槽との間にインピーダンスをマッチングさせるための整合器を備えることを特徴としている。【０００７】
また、特許文献３では、微細加工電源を加工槽と接続するための仕上げ加工ケーブルのほかに、荒加工用電源と加工槽とを接続するための荒加工ケーブルを備え、さらに電極間隙のインピーダンスを調整するための整合回路を備えた構成が開示されている。インピーダンスを調整することにより、荒加工ケーブルを切り離すことなく微細加工面が得られると説明している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３２１００７号公報
【特許文献２】特開平１−２４０２２３号公報
【特許文献３】特開平７−００９２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のように、複数のスイッチング手段を並列に並べてサイクリックにオンオフする場合において、それぞれのスイッチング手段同士の間には浮遊インダクタンスや浮遊コンダクタンスが存在する。これらのスイッチング手段の出力先に共通のインダクタンス素子が接続された場合であっても、これらの浮遊インダクタンスや浮遊コンダクタンスにばらつきが存在する場合には、出力波形に乱れが生じやすくなる。【００１０】
あるいは、スイッチング手段のスイッチング速度やオン抵抗などにばらつきがある場合には、サイクリックにオンオフすると波高値が乱れた波形が出力されることになる。【００１１】
特許文献２，３では、いずれも高周波交流電源を用いている。これは一般的には水晶発振器を利用するため、初段のアンプからおよそ正弦波の形を保ちつつ、徐々に増幅して出力する。したがって、上記特許文献１のようにスイッチング手段のばらつきが引き起こす波形のばらつきは存在しない。しかしながら、出力波形は水晶発振器の発振周波数に依存し、特定の周波数や特定のデューティ比に固定されるなどの制約事項が生じる。【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、複数のスイッチング手段を並列に並べてサイクリックにオンオフする場合に、負荷が非線形に変動しても安定した電圧パルス出力が得られる高周波電源発生装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電源と、サイクリックにオンオフ動作させる複数のスイッチング素子を並列接続したスイッチング素子群であって一方の並列接続端が前記直流電源の一方の電極端に接続されるスイッチング素子群と、前記スイッチング素子群の他方の並列接続端と前記直流電源の他方の電極端との間を接続する第１のインダクタンス素子と、前記第１のインダクタンス素子の両端に現れるパルス電圧を負荷に供給する経路に設けられる整合回路とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、並列に接続された複数のスイッチング素子をサイクリックにオンオフ動作させて共通のインダクタンス素子にエネルギーを供給し、順次蓄えられたエネルギー（高周波パルス）を負荷に供給する場合に、その供給経路に設ける整合回路がスイッチング素子毎に波形が異なるパルスを整形しそれぞれ同様な波形を有するパルスとするので、スイッチング素子にばらつきが生じた場合でも波高値に変動が無く、負荷が変動した場合でも反射が少なくなる。したがって、安定した出力特性を有する高周波電源発生装置を得ることができる。特に、負荷として放電加工装置を用いる場合は、安定した微細加工面を形成する放電加工特性を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１による高周波電源発生装置の構成を示す回路図である。
【図２】図２は、放電加工装置の放電加工部の配置構成例を示す概念図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２による高周波電源発生装置の構成を示す回路図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態３による高周波電源発生装置の構成を示す回路図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態４による高周波電源発生装置の構成を示す回路図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態５として、整合回路の他の構成例を示す回路図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態６として、スイッチング素子の発振波形のｎ倍の出力波形を得る方法を説明するための波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかる高周波電源発生装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による高周波電源発生装置の構成を示す回路図である。
なお、図１では、負荷として放電加工装置（ワイヤ放電加工装置）を用いた構成が示されている。図１において、加工用電極１と被加工物２は、放電加工装置の放電加工部において互いに対向して配置されている（図２参照）。図２は、放電加工装置の放電加工部の配置構成例を示す概念図であり、後述する。
【００１８】
本実施の形態１による高周波電源発生装置３ａは、直流電源５から、スイッチング素子群６ａ，６ｂおよびリアクトル７により高周波パルスを生成し、その生成した高周波パルスを同軸ケーブル８および整合回路９を通して加工用電極１と被加工物２の間の電極間隙に印加する構成を備えている。なお、同軸ケーブルに代えてツイスト線など別のケーブルを用いてもよい。
【００１９】
スイッチング素子群６ａ，６ｂは、それぞれ同数個の複数スイッチング素子を並列接続したものである。スイッチング素子群６ａの一方の並列接続端は直流電源５の正極端（＋）に接続され、スイッチング素子群６ｂの一方の並列接続端は直流電源５の負極端（−）に接続されている。リアクトル７は、スイッチング素子群６ａの他方の並列接続端とスイッチング素子群６ｂの他方の並列接続端との間に設けられている。
【００２０】
スイッチング素子群６ａ，６ｂの各スイッチング素子を同じ順序でサイクリックにオンオフ動作させると、スイッチング素子群６ａの他方の並列接続端とスイッチング素子群６ｂの他方の並列接続端との間に、つまり、リアクトル７の両端に、スイッチング素子群６ａの他方の並列接続端を正極側とし、スイッチング素子群６ｂの他方の並列接続端を負極側（グランド側）とする高周波パルス電圧が出力される。
【００２１】
この高周波パルス電圧は、整合回路９にて、負荷である加工用電極１と被加工物２の間の電極間隙の電気的状態と整合（マッチング）を取って供給されるが、整合回路９は、加工用電極１および被加工物２の直近において電極間隙と接続されることが望ましい（図２参照）。そのために、スイッチング素子群６ａ，６ｂの各他方の並列接続端と整合回路９との間は同軸ケーブル８により接続することにしている。
【００２２】
同軸ケーブル８の中心導体は、スイッチング素子群６ａの他方の並列接続端（正極側である）と加工用電極１とを接続する正極ラインのルートを形成する。同軸ケーブル８の外導体は、スイッチング素子群６ｂの他方の並列接続端（負極側である）と被加工物２とを接続する負極ラインのルートを形成する。
【００２３】
整合回路９は、図１では、π型構成としている。放電加工装置においては、電極間隙の電気的状態は、非放電時では容量性の高インピーダンス、放電時では抵抗性の低インピーダンス、短絡時ではさらに低インピーダンスな抵抗負荷となる、または、配線のインダクタンスが支配的になると誘導性の低インピーダンスとなる。このような負荷に対してマッチングの取り易い整合回路はπ型であることによる。ただし、整合回路としては、Ｌ型、逆Ｌ型などの構成例が一般的に知られている。相違点はマッチングの取り易さだけであるからπ型構成に限定されるものではない。
【００２４】
π型の整合回路９は、正極ラインに挿入されるリアクトル９ａと、リアクトル９ａの両端側において正極ラインと負極ラインとの間に接続される可変コンデンサ９ｂ、９ｃとで構成される。なお、コンデンサは、可変型を用いているが、容量が定まっている場合は、容量値を固定したコンデンサを用いてもよい。
【００２５】
次に、図２を参照して、加工用電極１および被加工物２の配置構成を簡単に説明する。
図２において、加工用電極１および被加工物２は、加工槽１０に収容されている。加工用電極１は、ワイヤボビン１１から供給され、上部ワイヤガイド１２、下部ワイヤガイド１３を通して加工槽１０の外に排出される。上部ワイヤガイド１２および下部ワイヤガイド１３は、加工用電極１の真直性能を高く保持するためのものである。上部ワイヤガイド１２および下部ワイヤガイド１３は、加工用電源から供給される電圧パルスを加工用電極１に供給するための給電機構を備えている。被加工物２は、導電性の素材でできた定盤１４に取り付けられている。一般的に定盤１４は、対地に対して接地されている。加工槽１０は、被加工物２が水や油などの加工液により浸漬できるような構造となっている。整合回路９を収納した整合回路ボックス１５は、防水が容易であることから、図２では加工槽１０の背面側に設置されている。整合回路ボックス１５は、極力近接配置する観点から、可能であれば、下部ワイヤガイド１３の内部でもよいし、加工槽１０の底部としてもよい。
【００２６】
整合回路ボックス１５の内部には、同軸ケーブル８の中心導体に一端が接続されるリアクトル９ａと、リアクトル９ａの両端において同軸ケーブル８の中心導体と外導体との間を接続する可変コンデンサ９ｂ、９ｃとが配置されている。
【００２７】
整合回路９におけるリアクトル９ａの非配置側（同軸ケーブル８の外導体側）と被加工物２との接続は、銅板１６を用いて同軸ケーブル８の外導体と定盤１４とを電気的に接続することで実現している。銅板１６の素材には、極力低抵抗なものを用いるべきであるが、定盤１４と同じものでもよい。面対面で結線することが肝要である。これによって、電極間隙までを低インピーダンスな状態で配線することができる。
【００２８】
一方、整合回路９におけるリアクトル９ａの配置側（同軸ケーブル８の中心導体側）と加工用電極１との接続は、リアクトル９ａの他端に接続したケーブル１７により下部ワイヤガイド１３と接続することで実現している。ケーブル１７には、対地との間に加工液の持つ誘電率に応じた浮遊容量が発生する。加工液の液面が変動すると、この値も変化するために電気的に（特に高周波パルスに対しては）不安定になりやすい。上部ワイヤガイド１２と下部ワイヤガイド１３のいずれかから給電することが可能であるが、上述の液面変動による浮遊容量の変動を受けにくいように、ここでは下部ワイヤガイド１３のみに給電する形態としている。また、被加工物２側とは異なり、このとき不用意に金属板を用いて面接続する方法は好ましくない。上述のごとく浮遊容量の影響が大きくなるためである。
ケーブル１７は単線あるいは多芯線のケーブル線を用いている。インダクタンス成分を低減したい場合には、ケーブル１７を複数用いた並列接続にするか、ケーブル１７にフラットケーブルを用いればよい。
【００２９】
さて、図１において、スイッチング素子群６ａ，６ｂは、特許文献１と同様に各スイッチング素子を同じ順序でサイクリックにオンオフ動作させる。１つのスイッチング素子がオン動作すると、リアクトル７にエネルギーが充電される。充電されたエネルギーは、そのスイッチング素子をオフにすることで、電極間隙に放出される。その後、並列接続される次のスイッチング素子がオンとなり、リアクトル７にエネルギーが再度充電され、そのスイッチング素子がオフとなる瞬間に、再び電極間隙に対しエネルギーが放出される。このように、順次スイッチング動作を行うことで、１つのスイッチング素子が担う周波数を少なくしたまま、全体として波形を合成し、高周波パルスとして電極間隙に印加することができる。
【００３０】
しかしながら、スイッチング素子群６ａないしスイッチング素子群６ｂにおいて、並列に接続される複数のスイッチング素子のそれぞれは、少なからずばらつきが存在する。スイッチング素子にばらつきがなくても、配線パターンが均等とは限らず、高速なスイッチングを行うと、発生したパルスの伝送特性が異なってくる。つまり、出力するパルス幅が例えば１００ｎｓ〜３００ｎｓと狭いため、スイッチング速度の影響が支配的となる。したがって、整合回路９を設けないと、周波数成分の異なる波形が、同軸ケーブル８を介して電極間隙に印加されてしまう。このため、同軸ケーブルと電極間隙との接続端において反射が起こりやすく、また発生した反射によりパルス波形が、さらに乱れやすい。
【００３１】
これに対して、水晶発振器で構成する特許文献２や特許文献３では、単一の周波数を用いているため、反射が発生してもパルス波形そのものが乱れることは無い。反射が発生すると、出力が低下するものと考えればよい。この場合、極端に言えば、整合回路を用いなくとも電源出力をあげてしまえば、同等の波形を電極間隙に印加することができる。これに対し、本実施の形態１で示すような複数のスイッチング素子を用いる場合は、パルス波形そのものが乱れ、変化する。これはパルスの出力方法が、リアクトルへの逆起電力を応用したものであるためである。出力電圧にｄＩ／ｄｔといった、過渡現象を利用するためで、特性差や環境による変化は本質的に存在する。このため、電源出力をあげても、反射の大きい不安定な過渡パルスが発生するだけとなる。加工特性も不安定である。
【００３２】
このとき、整合回路９は、ある種のフィルタとして機能する。すなわち、異なる周波数成分のうち、ある周波数成分を電極間隙に伝送する。負荷となる電極間隙に対して、伝送線路である同軸ケーブル８と同じインピーダンスとなるような周波数成分を伝送する。これによって、上述の複数のスイッチング素子が有する特性インピーダンスのばらつきは緩和され、安定した波形のパルス列を電極間隙に供給することができる。したがって、本実施の形態１によれば、短絡などの起こりにくい安定した加工特性を得ることができる。
【００３３】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２による高周波電源発生装置の構成を示す回路図である。
なお、図３では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないし同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態２に関わる部分について説明する。
【００３４】
図３に示すように、本実施の形態２による高周波電源発生装置３ｂでは、図１（実施の形態１）に示した構成において、リアクトル７を省略し、符号を変えた整合回路２０をリアクトル２１および可変コンデンサ２２によるＬ型構成とし、この整合回路２０の出力端を同軸ケーブル８経由で電極間隙に接続する構成としてある。
【００３５】
整合回路２０では、リアクトル２１がスイッチング素子群６ａの他方の並列接続端とスイッチング素子群６ｂの他方の並列接続端との間に設けられている。可変コンデンサ２２は、一端がリアクトル２１の加工用電極１側端に接続され、他端が同軸ケーブル８の中心導体に接続されている。リアクトル２１は、リアクトル７の機能を有するので、実施の形態１と同様に、電極間隙に高周波パルスを供給することができる。
【００３６】
低周波成分は、可変コンデンサ２２にて遮断され、高周波成分のみが電極間隙に印加されることになる。すなわち、可変コンデンサ２２は、リアクトル２１とともにフィルタとして機能し、電極間隙とのインピーダンスが合うように動作させることができる。このように、本実施の形態２によれば、部品点数が少なく、容易な構成で安定した加工特性を得ることができる。
【００３７】
なお、本実施の形態２では、図１に示したリアクトル７を省略したが、別途、リアクトル２１と並列に設けてもよい。また、可変コンデンサ２２に代えてリアクトルを設けてもよい。負荷である電極間隙のインピーダンスに応じて最適値が異なるため、負荷の状態に応じて適宜、回路構成を選定して対応する必要がある。
【００３８】
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３による高周波電源発生装置の構成を示す回路図である。
なお、図４では、図３（実施の形態２）に示した構成要素と同一ないし同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。
【００３９】
図４に示すように、本実施の形態３による高周波電源発生装置３ｃでは、図３（実施の形態２）に示した構成において、同軸ケーブル８と整合回路２０とを入れ替えてある。整合回路２０は、電極間隙の近傍に形成することが望ましいので、実施の形態１と同様に、リアクトル２１と可変コンデンサ２２を電極間隙近傍に配置する。これによって、スイッチング素子群６ａ，６ｂを介してリアクトル２１に蓄えられたエネルギーを電極間隙近傍で放出することができる。なお、リアクトル２１、可変コンデンサ２２は、図２に示すように、整合回路ボックス１５に収納して加工槽１０の背面に接続すればよいし、電極間隙との接続もまた、図２と同様でよい。
【００４０】
リアクトル２１に蓄えられたエネルギーは、直列接続された可変コンデンサ２２を介して電極間隙に供給される。本実施の形態３で示すような構成とすることで、電極間に対しては、同軸ケーブル８のもつ分布定数を排除することができる。このため、可変コンデンサ２２は、実施の形態２よりも、容易に調整することができる。
【００４１】
また、本実施の形態３では、リアクトル２１を用いているが、リアクトル２１の代わりにトランスを用いてもよい。トランスを用いることで、出力インピーダンスを変化させることができる。
【００４２】
この場合、同軸ケーブル８のもつ特性インピーダンスの影響をなくす必要があることから、図４において、同軸ケーブル８の後段であって、電極間隙側にトランスを挿入することが望ましい。電極間隙のインピーダンスに応じて、トランスの巻き数を変化させて、インピーダンスをマッチングさせることで、安定度の高いパルスを出力することができ、短絡などが起こりにくい、安定した加工特性を得ることができる。
【００４３】
実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４による高周波電源発生装置の構成を示す回路図である。
なお、図５では、図３（実施の形態２）に示した構成要素と同一ないし同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態４に関わる部分を中心に説明する。本実施の形態４では、実施の形態２への適用例を示すが、実施の形態１，３にも同様に適用できるものである。
【００４４】
スイッチング素子群６ａやスイッチング素子群６ｂを構成する各スイッチング素子は、それぞれにばらつきが存在する。このため、それぞれが、周波数成分の異なるパルスを出力しやすい。特性の異なるスイッチング素子から出力されたパルスが、共通の素子であるリアクトル７やリアクトル２１にエネルギーを蓄積するために、波形の乱れたパルス列を発生させてしまう。
【００４５】
この問題に対し、実施の形態１では整合回路９を設け、また、実施の形態２，３では整合回路２０を設け、電極間隙に供給する高周波パルス列の波形乱れを抑制できるようにしている。本実施の形態４では、図５に示すように、高周波パルスの発生部であるスイッチング素子群６ａやスイッチング素子群６ｂにおいて、周波数成分の異なるパルスを出力しないようにリアクトル２５と可変コンデンサ２６とを各々のスイッチング素子に対して挿入し、直接的に共通の素子であるリアクトル７やリアクトル２１にエネルギーを蓄積する位相を補償するようにした。
【００４６】
つまり、実施の形態１〜３では、並列に接続された複数のスイッチング素子をサイクリックにオンオフ動作させて共通のインダクタンス素子にエネルギーを供給し、順次蓄えられたエネルギー（高周波パルス）を電極間隙に印加する場合に、その供給経路に設ける整合回路９，２０がスイッチング素子毎に波形が異なるパルスを整形しそれぞれ同様な波形を有するパルスとして電極間隙に印加する。これによって、スイッチング素子にばらつきが生じた場合でも波高値に変動が無く、負荷が変動した場合でも反射が少なくなる。したがって、安定した出力特性を有する高周波電源発生装置を得ることができ、それを仕上げ加工用電源として用いる放電加工装置では、安定した微細加工面を形成する放電加工特性を得ることができる。
【００４７】
そして、共通の素子であるリアクトル７やリアクトル２１にエネルギーを蓄積する位相を補償する本実施の形態４を実施の形態１〜３に適用すれば、より一層安定した出力特性を有する高周波電源発生装置を得ることができ、それを仕上げ加工用電源として用いる放電加工装置では、より一層安定した微細加工面を形成する放電加工特性を得ることができることになる。
【００４８】
すなわち、図５に示すように、本実施の形態４による高周波電源発生装置３ｄでは、図３（実施の形態２）に示した構成において、スイッチング素子群６ａを構成する複数のスイッチング素子の各他端は、直接接続して他方の並列接続端とするのではなく、リアクトル２５を介して接続し他方の並列接続端としている。そして、スイッチング素子群６ａを構成する複数のスイッチング素子の各他端と、スイッチング素子群６ｂの他方の並列接続端において対応するスイッチング素子との間を可変コンデンサ２６にて接続してある。
【００４９】
リアクトル２５や可変コンデンサ２６は、スイッチング素子の特性や配線経路の違いに応じて、適宜調整し、リアクトル２１に対して、およそ同一の波形が印加できるようにしている。これによって、経路にばらつきがある場合でも、安定したパルス出力を得ることができ、加工特性を安定させることができる。もちろん、可変コンデンサ２６は、容量値が定まるのであれば、固定コンデンサとしてもよいし、必要でなければ、省いてもよい。すなわち、リアクトル２５のみを接続した構成としてもよい。
【００５０】
特に、実施の形態３のように、リアクトル２１や可変コンデンサ２２が同軸ケーブル８よりも電極間隙側に配置される場合は、本実施の形態４に示すように、スイッチング素子ごとに補償回路を構成する手法が有効である。リアクトル２１までの経路が長い場合は、伝送経路が長いため、意図しない浮遊リアクタンスや浮遊コンダクタンスが介在しやすい。このため、いたるところで反射が起こりやすくなる。パルス出力の乱れが生じる発生部から遠く離れたところに整合回路を挿入するよりも、出力波形の乱れが生じる発生部近傍に波形補償回路を挿入した方が、波形の補償が容易である。
【００５１】
ここで、本実施の形態による高周波電源装置の負荷は、放電加工装置の極間を想定している。この負荷は、放電、非放電（オープン）、短絡のいずれかの状態であり、極間距離に応じて変化している。また、それぞれの状態では互いにインピーダンスが大きく異なるため、それらすべての状態において整合を取ることはできない。つまり、オープンまたは放電において整合を取った後は、負荷が変動しても整合定数はそのままとしている。短絡状態は加工に寄与しないことから、反射が増えたとしても影響は小さい。
【００５２】
しかし、放電加工装置では、考慮しなければならない電気定数に、極間現象だけではなく、周辺の環境が複雑に影響を与える。例えば、定盤におけるワーク（被加工物）の設置位置はユーザに一任されていて、ワークの厚みや使用するワイヤ径も様々である。ところが、加工位置やワーク厚が変化すれば、電源から見たインピーダンスも変化することになり、極間が同じオープン状態であったとしても、出力波形は微妙に変化してしまうことが起こる。このため、それぞれの状態に応じて整合定数が最適に変化することが望ましい。
【００５３】
一般的な整合回路では真空エアバリコンなどを用いてアナログ的に容量を変化させている。具体的には、モータと真空エアバリコンとを組み合わせて回転数（回転角度）から容量を変化させる。この観点から、実施の形態１乃至４では、可変コンデンサを用いた整合回路について説明している。しかし、モータや真空エアバリコンには信頼性の点で問題がある。
【００５４】
実施の形態５．
そこで、実施の形態５では、この問題を解決できる整合回路について説明する。この問題は、整合回路を例えば図６に示すように構成すれば解決することができる。図６は、本発明の実施の形態５として、整合回路の他の構成例を示す回路図である。図６は、図１（実施の形態１）に示したπ型整合回路への適用例を示すが、図３〜図５（実施の形態２〜４）に示したＬ型整合回路へも同様に適用できる。
【００５５】
図６に示すπ型の整合回路３０は、図１に示すπ型の整合回路９において、正極ラインＰに挿入されるリアクトル９ａに代えたリアクトル３０ｂの一端に、固定コンデンサ３０ａ１およびスイッチ３０ａ３の直列回路と、固定コンデンサ３０ａ２およびスイッチ３０ａ４の直列回路とが並列接続して配置されている。また、正極ラインＰと負極ラインＮの間に配置される２つの可変コンデンサのうち、一方の可変コンデンサ９ｂに代えて、固定コンデンサ３０ｃ１およびスイッチ３０ｃ３の直列回路と、固定コンデンサ３０ｃ２およびスイッチ３０ｃ４の直列回路とが並列接続して配置され、他方の可変コンデンサ９ｃに代えて、固定コンデンサ３０ｄ１およびスイッチ３０ｄ３の直列回路と、固定コンデンサ３０ｄ２およびスイッチ３０ｄ４の直列回路とが並列接続して配置されている。
【００５６】
固定コンデンサ３０ｃ１，３０ｃ２，３０ａ１，３０ａ２，３０ｄ１，３０ｄ２は、いずれもセラミック材などで構成されている。スイッチ２３０ｃ３，３０ｃ４，３０ａ３，３０ａ４，３０ｄ３，３０ｄ４は、それぞれ、図６ではリレー素子を示すが、半導体スイッチ素子や機械スイッチでもよい。
【００５７】
各並列配置される固定コンデンサ「３０ａ１，３０ａ２」「３０ｃ１，３０ｃ２」「３０ｄ１，３０ｄ２」それぞれの組では、例えば、一方の容量値が１ｎＦで、他方の容量値が２ｎＦであるというように、それぞれの容量値にバイナリの重み付けがなされている。
【００５８】
そうすれば、固定コンデンサ３０ｃ１およびスイッチ３０ｃ３の直列回路と、固定コンデンサ３０ｃ２およびスイッチ３０ｃ４の直列回路とが並列接続して配置された位置での容量値は、スイッチ３０ｃ３，３０ｃ４の一方が閉路し他方が開路するパターンでは１ｎＦとなり、スイッチ３０ｃ３，３０ｃ４の他方が閉路し一方が開路するパターンでは１ｎＦとなり、スイッチ３０ｃ３，３０ｃ４の一方が開路し他方が閉路するパターンでは２ｎＦとなり、スイッチ３０ｃ３，３０ｃ４の両方が閉路するパターンでは３ｎＦとなり、３種類の容量値を形成することができる。
【００５９】
このことは、固定コンデンサ３０ａ１およびスイッチ３０ａ３の直列回路と、固定コンデンサ３０ａ２およびスイッチ３０ａ４の直列回路とが並列接続して配置された位置においても同様であり、また、固定コンデンサ３０ｄ１およびスイッチ３０ｄ３の直列回路と、固定コンデンサ３０ｄ２およびスイッチ３０ｄ４の直列回路とが並列接続して配置された位置においても同様である。
【００６０】
ここで、リアクトル３０ｂの一端側に並列配置される固定コンデンサ「３０ａ１，３０ａ２」の組は、リアクトル３０ｂの補償用に設けてある。電気的には、コンデンサとリアクトルとを直列に配置することで虚数成分が打ち消し合うことになるので、余剰分のインピーダンスが有効に働く。つまり、リアクトル３０ｂに対して、コンデンサ３０ａ１あるいはコンデンサ３０ａ２を設けることにより、複数のリアクトルを切り替えているのと同じと考えてよい。
【００６１】
このように、実施の形態５による整合回路は、容量値をバイナリに重み付けした複数の固定コンデンサを並列配置し、それらをスイッチにて切り替えることで整合定数をデジタル的に制御することができるので、制御性の高い回路構成にすることができる。加えて、固定コンデンサは、比較的特性が安定していることから、再現性がよく、信頼性の高い整合回路を得ることができる。
【００６２】
実施の形態６．
本実施の形態６では、実施の形態１乃至５に示した高周波電源発生装置において、電源回路と負荷との間の共振を利用することで、スイッチング素子の発振波形のｎ倍の出力波形を得る方法について説明する。
【００６３】
図７は、本発明の実施の形態６として、スイッチング素子の発振波形のｎ倍の出力波形を得る方法を説明するための波形図である。図７において、波形（Ａ）〜波形（Ｃ)は、スイッチング素子群６ａおよびスイッチング素子群６ｂのゲートに印加される制御波形である。スイッチング素子は３並列であり、波形（Ａ）〜波形（Ｃ）のようにサイクリックに動作させている。また、波形（Ｄ）は極間出力波形の例である。
【００６４】
スイッチング素子を動作させるオン幅は８０ｎｓであり、１つのスイッチング素子のオンタイミングと次のスイッチング素子のオンタイミングとの間隔は２００ｎｓである。すなわち、図７では、スイッチング素子群６ａおよびスイッチング素子群６ｂが５ＭＨｚで発振している例が示されている。
【００６５】
例えば、高周波電源発生装置３ａには、リアクトル７があるため、負荷が容量性の場合は、共振状態を得ることができる。すなわち、高周波電源発生装置３ａと極間の浮遊容量との間で共振した波形が、波形（Ｄ）に示す極間出力波形である。
【００６６】
ここで、整合回路９は１０ＭＨｚのときに電源側と負荷側とのマッチングがとれるように整合定数を調整する。１０ＭＨｚの成分だけが電源と負荷との間を行き来することができ、他の周波数成分を遮断することになる。そのため、極間波形としては１０ＭＨｚが得られる。
【００６７】
図７に示す発振波形や出力波形は一例であり、発振波形を２ＭＨｚにして５倍の共振で１０ＭＨｚの出力波形にしてもよい。整合回路を調整することで発振波形のｎ倍の出力波形を得ることができる。放電加工装置では、極間への出力波形が高周波になると、加工の面粗さを向上させることができるため、出力波形は高い方が、加工の面からは好ましい。
【００６８】
特許文献２のような高周波交流電源であれば、発振波形と出力波形との周波数は等しくなる。しかし、十数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの出力波形であれば、高周波電源はＡ級アンプからＣ級アンプの構成にせざるを得ず、高い電源効率は得られない。また、使用するスイッチング素子もＲＦ用の高価なものになる。これに対し、本実施の形態６によれば、発振波形よりも高い周波数の出力波形を得ることができるため、比較的安価なスイッチング素子を利用することができる。また、スイッチングの回数が減ることからスイッチング損失は減少し、高い電源効率が得られる。
【００６９】
また、面粗さは出力波形の周波数に依存することから、段階ごとに面粗さを落とす仕上げ工程においては、整合定数およびスイッチング周波数、スイッチングパルス幅を制御することで、数ＭＨｚ、十数ＭＨｚ、数十ＭＨｚと出力波形を切り替えることができる。これにより、簡便で良好な加工性能を得ることができる。
【００７０】
ここで、実施の形態１〜６においては、複数の並列接続されたスイッチング素子をサイクリックに駆動する回路構成を前提としている。これらのスイッチング素子のオンオフタイミングは任意であるから、水晶発振器を用いた高周波電源発生装置とは異なり、１発１発のパルス幅を異ならせることも可能である。例えば、スイッチング速度の遅いスイッチング素子は、スイッチング速度の速い素子に比べて、パルス幅は狭い。逆に言えば、スイッチング素子が遅い分だけ、予めパルス幅を伸ばして出力すれば、最終的なパルス出力波形を補償することもできる。
【００７１】
また、実施の形態１〜６において用いる整合回路はある種のフィルタであり、共振を利用した素子である。間欠発振させる場合には、その出力開始直後や出力停止直後に一部の共振波形が残りやすい。この共振波形が加工に影響を与える場合もある。そこで、矩形パルスの印加開始直後や印加停止直前のパルス波形を定常状態の波形と異ならせることで、加工に適した間欠発振動作を行うことが可能となる。
【００７２】
なお、実施の形態１〜６においては、負荷にワイヤ放電加工装置を用いた場合を示しているが、この限りではない。種々の観点に基づいて生成した様々なものを用いてもよいことは勿論である。高周波電源を用いるものであって、放電加工装置をはじめとする非線形に変化する負荷に適用する場合において、間欠パルスなど連続パルス以外の発振が求められる回路構成に対して有効である。
【００７３】
また、実施の形態１〜６においては、直流電源５の正極端と負極端とに対応させて２つのスイッチング素子群６ａ，６ｂを用いているが、スイッチング素子群６ａ、あるいは、スイッチング素子群６ｂのいずれか一方だけを用いても、同様の機能を実現することができる。ただし、２つのスイッチング素子群を用いることで、電流の遮断速度を高めることができることから、ｄＩ／ｄｔを速めることができ、損失が少なく、高ピークな電圧パルスを電極間に印加することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上のように、本発明にかかる高周波電源発生装置は、複数のスイッチング素子を並列に並べてサイクリックにオンオフする場合に、負荷が変動しても安定した電圧パルス出力が得られる高周波電源発生装置として有用であり、特に、放電加工装置の仕上げ加工用電源に適用し、微細加工面を安定的に形成するのに適している。
【符号の説明】
【００７５】
１  加工用電極
２  被加工物
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ  高周波電源発生装置
５  直流電源
６ａ，６ｂ  スイッチング素子群
７，９ａ，２１，２５，３０ｂ  リアクトル
８  同軸ケーブル
９，２０，３０  整合回路
９ｂ，９ｃ，２２，２６  可変コンデンサ
１５  整合回路ボックス
３０ａ１，３０ａ２，３０ｃ１，３０ｃ２，３０ｄ１，３０ｄ２  固定コンデンサ
３０ａ３，３０ａ４，３０ｃ３，３０ｃ４，３０ｄ３，３０ｄ４  スイッチ
【図１】
2012169337.tif 000003
【図２】
2012169337.tif 000004
【図３】
2012169337.tif 000005
【図４】
2012169337.tif 000006
【図５】
2012169337.tif 000007
【図６】
2012169337.tif 000008
【図７】
2012169337.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成25年7月26日(2013.7.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
互いに並列接続され、一方の並列接続端が前記直流電源に接続されると共に、サイクリックにオンオフ動作するスイッチング素子群と、
前記スイッチング素子群の他方の並列接続端と前記直流電源との間に接続される第１のインダクタンス素子と、
前記スイッチング素子群と前記第１のインダクタンス素子との接続端に接続されると共に、負荷との間に直列接続される第２のインダクタンス素子と、
前記負荷に並列接続されるコンデンサと、
を備え、
前記スイッチング素子群の発振周波数に対して、ｎ倍（ｎは２以上の整数）の出力周波数を前記負荷に供給することを特徴とする高周波電源発生装置。
【請求項２】
直流電源と、
互いに並列接続され、一方の並列接続端が前記直流電源に接続されると共に、サイクリックにオンオフ動作するスイッチング素子群と、
前記スイッチング素子群の他方の並列接続端と前記直流電源との間に接続されるインダクタンス素子と、
前記スイッチング素子群と前記インダクタンス素子との接続端に接続されると共に、負荷との間に直列接続されるコンデンサと、
を備え、
前記スイッチング素子群の発振周波数に対して、ｎ倍（ｎは２以上の整数）の出力周波数を前記負荷に供給することを特徴とする高周波電源発生装置。
【請求項３】
前記スイッチング素子群の制御パルス幅をスイッチング素子ごとに異ならせることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波電源発生装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電源と、互いに並列接続され、一方の並列接続端が前記直流電源に接続されると共に、サイクリックにオンオフ動作するスイッチング素子群と、前記スイッチング素子群の他方の並列接続端と前記直流電源との間に接続される第１のインダクタンス素子と、前記スイッチング素子群と前記第１のインダクタンス素子との接続端に接続されると共に、負荷との間に直列接続される第２のインダクタンス素子と、前記負荷に並列接続されるコンデンサと、を備え、前記スイッチング素子群の発振周波数に対して、ｎ倍（ｎは２以上の整数）の出力周波数を前記負荷に供給することを特徴とする。
【国際調査報告】
2012169337.tif 000010
2012169337.tif 000011
2012169337.tif 000012
2012169337.tif 000013