(57)【要約】【課題】微細穴などの放電加工において、加工精度および加工速度を向上させるとともに、加工液に脱イオン水を使用するようにする。【解決手段】加工液内で試料電極４上に載置固定された被加工材Ｗに工具電極１を近づけ、ＤＣ電源７からコンデンサＣ１に充電された電荷を工具電極１と被加工材Ｗとの間で放電して被加工材Ｗに微細穴を開ける。このとき、ＤＣ電源７からコンデンサＣ１に供給される電圧を、ＦＥＴ１，ＦＥＴ２のＯＮ／ＯＦＦ制御により高速スイッチングする。これにより、ターンオン，ターンオフ時間を短縮した短パルス状の充電電圧を形成することができ、上記目的を達成することができる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工液内で試料電極上に載置固定された被加工材に工具電極を近づけ、コンデンサに充電された電荷を前記工具電極と被加工材との間で放電して前記被加工材に微細穴を開ける加工方法であって、
直流電源から前記コンデンサに供給される電圧を、第１および第２のスイッチング素子のオン／オフ制御により高速スイッチングすることを特徴とする微細穴の放電加工方法。
【請求項２】
第１および第２のスイッチング素子のオン／オフ動作により、直流電源からの電圧を短パルス状に形成することを特徴とする請求項１記載の放電加工方法。
【請求項３】
第１および第２のスイッチング素子のオン／オフ動作により、電圧パルスの間隔を変えることを特徴とする請求項２記載の放電加工方法。
【請求項４】
第１および第２のスイッチング素子のオン／オフ動作により、電圧パルスの幅を変えることを特徴とする請求項２記載の放電加工方法。
【請求項５】
加工液として、脱イオン水を用いることを特徴とする請求項１記載の放電加工方法。
【請求項６】
工具電極として、微細な円柱状または角柱状の多数ピンからなる電極を用いることを特徴とする請求項１記載の放電加工方法。
【請求項７】
被加工材が加工液内で載置固定される試料電極と、前記試料電極上に載置された被加工材を位置決めする位置決め機構部と、前記試料電極に対向して配置された工具電極と、前記工具電極を加工送りする加工ヘッド部とを有し、前記工具電極を用いた型彫り放電加工法により被加工材に微細穴を開ける加工装置であって、
直流電源と、前記直流電源の一方の端子に第１の抵抗を介して接続された前記試料電極と、前記直流電源の一方の端子に第２および第３の抵抗を介して接続された前記工具電極と、前記工具電極と前記試料電極との間に接続されたコンデンサと、前記直流電源の他方の端子と前記試料電極との間に接続された第１のスイッチング素子と、前記直流電源の他方の端子と前記第２および第３の抵抗の接続点との間に接続された第２のスイッチング素子と、前記第１および第２のスイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
前記第１および第２のスイッチング素子をオン／オフ制御して前記直流電源から供給される電圧により前記コンデンサを充電し、前記加工ヘッド部の加工送りにより前記工具電極と前記試料電極上に載置された被加工材とを近づけて、前記コンデンサに充電された電荷を放電し、被加工材に微細穴をあけることを特徴とする微細穴の放電加工装置。
【請求項８】
制御回路は、第１および第２のスイッチング素子のオン／オフ動作を制御し、直流電源からの電圧を短パルス状に形成することを特徴とする請求項７記載の放電加工装置。
【請求項９】
制御回路は、第１および第２のスイッチング素子のオン／オフ動作を制御し、電圧パルスの間隔を変えることを特徴とする請求項８記載の放電加工装置。
【請求項１０】
制御回路は、第１および第２のスイッチング素子のオン／オフ動作を制御し、電圧パルスの幅を変えることを特徴とする請求項８記載の放電加工装置。
【請求項１１】
加工液として、脱イオン水を用いることを特徴とする請求項７記載の放電加工装置。
【請求項１２】
工具電極は、微細な円柱状または角柱状の多数ピンからなることを特徴とする請求項７記載の放電加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具電極と被加工材との間の微小な放電ギャップに発生する放電を利用して、主として微細穴や微細なスリットなどを形成する微細加工に用いられる放電加工方法および放電加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ放電加工技術は、インクジェットプリンタのノズル加工をはじめとして、主に微細穴の加工法として用いられており、近年では、最小５μｍまでの穴加工を可能とする超微細放電加工装置が開発されている。
【０００３】
このような放電加工装置は、図７の概略構成図に示すような全体構成を備えている（例えば、特許文献１参照。）。すなわち、この種の放電加工装置は、工具電極１を取り付けて上下動する加工ヘッド部２と、被加工材Ｗを載置固定する試料電極４を移動制御して被加工材Ｗの工具電極１に対する位置を位置決めする位置決め機構部５と、ＮＣ制御部を有する制御ボックス部６とを基本構成として備えている。
【０００４】
また、図８は、従来の制御構成図を示したもので、７はＤＣ電源、８は抵抗、９はコンデンサである。このような構成において、ＤＣ電源７から抵抗８を介してコンデンサ９を充電する。そして、工具電極１を試料電極４上の被加工材Ｗに近づけて放電させ、その放電により、被加工材Ｗに微細穴加工を施す。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２０２４３２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の構成では次のような問題を有していた。すなわち、図８の構成で加工を行った場合、コンデンサ９の充電および放電時のピーク電流及び放電時間はコンデンサ９の容量および抵抗８により決定されていた。また、加工液に純水などの脱イオン水を用いた場合、常時工具電極１と被加工材Ｗとの間に放電電圧がかかるため、加工液３がイオン化し、所定の放電電圧がかかる前に通電してしまい、十分な放電電流が流れない場合があり、かつ、被加工材Ｗおよび工具電極１が反応を起こし、加工表面状態を悪く、かつ、加工精度も十分に得られなかった。
【０００７】
また、従来のスイッチング素子の配置では、スイッチング素子自体の反応速度に限界があり、通常、パワーＭＯＳＦＥＴの場合、ＯＮ時間、ＯＦＦ時間が数１００ｎｓｅｃ相当であり、数１０ｎｓｅｃの電圧パルスが形成できなかった。数１００ｎｓｅｃ以上の放電電圧パルス幅の場合、上記イオン化が発生し、加工表面が悪くなる。また、常に流水の状態で、イオン化した加工液を洗い流し、非イオン化状態を継続する必要があった。
【０００８】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、加工液として脱イオン水を使用し、かつ加工精度および加工速度を向上させるようにした放電加工方法および放電加工装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明の微細穴の放電加工装置は、被加工材が加工液内で載置固定される試料電極と、前記試料電極上に載置された被加工材を位置決めする位置決め機構部と、前記試料電極に対向して配置された工具電極と、前記工具電極を加工送りする加工ヘッド部とを有し、前記工具電極を用いた型彫り放電加工法により被加工材に微細穴を開ける加工装置であって、
直流電源と、前記直流電源の一方の端子に第１の抵抗を介して接続された前記試料電極と、前記直流電源の一方の端子に第２および第３の抵抗を介して接続された前記工具電極と、前記工具電極と前記試料電極との間に接続されたコンデンサと、前記直流電源の他方の端子と前記試料電極との間に接続された第１のスイッチング素子と、前記直流電源の他方の端子と前記第２および第３の抵抗の接続点との間に接続された第２のスイッチング素子と、前記第１および第２のスイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
前記第１および第２のスイッチング素子をオン／オフ制御して前記直流電源から供給される電圧により前記コンデンサを充電し、前記加工ヘッド部の加工送りにより前記工具電極と前記試料電極上に載置された被加工材とを近づけて、前記コンデンサに充電された電荷を放電し、被加工材に微細穴をあけることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、加工液に脱イオン水を使用し、加工速度および加工精度の向上を図ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図７は、本発明の一実施の形態における放電加工装置の概略構成を示したもので、従来例と同様であり、１は工具電極、２は加工ヘッド部、３は加工液、４は被加工材Ｗを載置固定する試料電極、５は位置決め機構部、６は制御ボックス部である。
【００１３】
図１は、本発明の一実施の形態における制御構成図を示したものであり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は抵抗、Ｃ１はコンデンサ、ＦＥＴ１、ＦＥＴ２はスイッチング素子としてのＦＥＴ、７はＤＣ電源、１０は制御回路である。
【００１４】
被加工材Ｗを載置固定した試料電極４と工具電極１間に抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を配し、さらに抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を介して充電されるコンデンサＣ１を工具電極１と試料電極４間に接続している。ＤＣ電源７の一方の端子は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に接続され、ＤＣ電源７の他方の端子は、ＦＥＴ１を介して抵抗Ｒ１と試料電極４の接続点に、また、ＦＥＴ２を介して抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点にそれぞれ接続されている。ＦＥＴ１およびＦＥＴ２の制御端子は制御回路１０に接続されている。
【００１５】
このような構成において、ＤＣ電源７から供給される電圧によりコンデンサＣ１を充電し、加工送りにより工具電極１と被加工材Ｗを近づけ、コンデンサＣ１に充電された電荷を放電して放電電流を流し、被加工材Ｗを放電加工する。この時、ＤＣ電源７から供給される電圧は、ＦＥＴ１０、１１によりＯＮ／ＯＦＦ制御され、そのタイミングおよびＯＮ／ＯＦＦの時間は制御回路１０によりコントロールされる。
【００１６】
図２は、スイッチングの具体的タイミング図である。ＦＥＴ１とＦＥＴ２がＯＦＦの時は、工具電極１と試料電極４との間には電圧はかからない。次に、ＦＥＴ２のみをＯＮにすることにより、工具電極１と試料電極４との間に、ＤＣ電源７による電圧が供給される。この時、コンデンサＣ１は充電されることになり、工具電極１と試料電極４の間の距離が近接していた場合、放電が発生し、被加工材Ｗに加工が行われる。
【００１７】
加工が行われない場合は、次に、ＦＥＴ１をＯＮにすることにより、再度工具電極１と試料電極４の間には電圧がかからないと同時に、コンデンサＣ１に充電された電荷が放出される。そして、次に、ＦＥＴ１およびＦＥＴ２を同時にＯＦＦにし、動作を繰り返す。
【００１８】
図３は、図１および図２の効果を示すタイミング図である。図３（ａ）はＦＥＴに代表されるスイッチング素子の動作タイミング図である。スイッチング素子の材料やその構成にも依存するが、一般的にＯＮ／ＯＦＦの信号に対して、実際の反応速度は遅れる。速いものでＯＦＦ→ＯＮ時間が数１０ｎｓｅｃ、ＯＮ→ＯＦＦ時間が数１００ｎｓｅｃである。そのため、スイッチング素子１個によるＯＮ／ＯＦＦでは本実施の形態の放電加工における電圧７０Ｖ以上を数１０ｎｓｅｃの電圧ＯＮ時間を構成することは難しい。
【００１９】
そこで、図１のように、スイッチング素子２個を並列に構成することにより、図３（ｂ）に示したように、スイッチング素子のＯＦＦ→ＯＮ時間の速い動作時間を使用し、それぞれ個別に動作させることにより、数１０ｎｓｅｃの電圧ＯＮ時間を構成できる。
【００２０】
図７において、加工液３について絶縁体の油から、無電解水（純水）を使用することにより高速かつ高精度に加工できるが、図８の従来の構成では、常時工具電極１と試料電極４の間に電圧がかかることにより、無電解水がイオン化し、絶縁状態から通電状態となり、放電加工する上での電圧がかかりにくくなると共に、イオンによる工具電極１および被加工材Ｗの表面の化学反応により加工状態が悪くなる。そこで、図１のような制御構成で、図２および図３のように動作させることにより、数１０ｎｓｅｃの電圧ＯＮ時間を構成でき、無電解水のイオン化を抑制することができ、高精度の加工が実現できる。
【００２１】
図４は、図１の制御構成において、ＦＥＴ１とＦＥＴ２のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路１０のアルゴリズムであり、ＦＥＴ１とＦＥＴ２のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを制御するものであり、ｔ６を変えることにより、放電電流の流れる間隔を変えることができる。これにより、コンデンサ容量が小さい場合、電圧間隔を密にして放電回数を増やし、加工回数を増やすことにより、加工量を増やすことができ、加工速度を上げることができる。
【００２２】
また、図５は、図１の制御構成において、ＦＥＴ１とＦＥＴ２のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路１０の他のアルゴリズムであり、ＦＥＴ１とＦＥＴ２のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを制御できるものであり、ｔ１を変えることにより、コンデンサＣ１への充電時間を変えることができる。従って、充電量を変えることができるため、従来コンデンサ容量を変えることにより規定していた充電量を、充電時間で制御することができる。
【００２３】
図６（ｂ）は、数１０μｍ以下の微小穴を多数開ける場合の加工模式図である。従来は、図６（ａ）のように工具電極１により、１個の穴を被加工材Ｗに開けられるが、この際、工具電極１と被加工材Ｗとの間には加工液３が介在している。従来は、この加工液３に無電解水を使用した場合、流水下で加工しないとイオン化が進み、加工精度が得られないという欠点があったが、図１の制御構成と図２のアルゴリズムにより、図６（ｂ）に示したように、例えば微細な円柱状または角柱状の多数ピンからなる電極を配置した工具電極１を用い、かつ、加工液３として無電解水を使用し、かつ、流水である必要がなくなり、同時に多数の微細穴を開けることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の放電加工装置は、被加工材が加工液内で載置固定される試料電極と、前記試料電極上に載置された被加工材を位置決めする位置決め機構部と、前記試料電極に対向して配置された工具電極と、前記工具電極を加工送りする加工ヘッド部とを有し、前記工具電極を用いた型彫り放電加工法により被加工材に微細穴を開ける加工装置であって、ＤＣ電源と、前記ＤＣ電源の一方の端子に第１の抵抗を介して接続された前記試料電極と、前記ＤＣ電源の一方の端子に第２および第３の抵抗を介して接続された前記工具電極と、前記工具電極と前記試料電極との間に接続されたコンデンサと、前記ＤＣ電源の他方の端子と前記試料電極との間に接続された第１のスイッチング素子と、前記ＤＣ電源の他方の端子と前記第２および第３の抵抗の接続点との間に接続された第２のスイッチング素子と、前記第１および第２のスイッチング素子を制御する制御回路とを備え、前記第１および第２のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御して前記ＤＣ電源から供給される電圧により前記コンデンサを充電し、前記加工ヘッド部の加工送りにより前記工具電極と前記試料電極上に載置された被加工材とを近づけて、前記コンデンサに充電された電荷を放電し、被加工材に微細穴をあけることを特徴とする。これにより、加工液に脱イオン水を使用し、加工速度および加工精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における放電加工装置の制御構成図
【図２】本発明の放電加工装置におけるＦＥＴのスイッチングタイミング図
【図３】本発明の放電加工装置におけるＦＥＴのスイッチングタイミング図
【図４】本発明の放電加工装置におけるコンデンサ充電間隔を変える場合のＦＥＴのスイッチングタイミング図。
【図５】本発明の放電加工装置におけるコンデンサ充電量を変える場合のＦＥＴのスイッチングタイミング図
【図６】本発明の放電加工装置における工具電極図
【図７】従来および本発明における放電加工装置の概略構成図
【図８】従来の放電加工装置の制御構成図
【符号の説明】
１　工具電極
２　加工ヘッド部
３　加工液
４　試料電極
５　位置決め機構部
６　制御ボックス部
７　ＤＣ電源
１０　制御回路
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３　抵抗
Ｃ１　コンデンサ
Ｗ　被加工材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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