(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ並列に接続された第１のスイッチング回路と第２のスイッチング回路を備え、電極と被加工物との間の極間間隙に先ず前記第１のスイッチング回路から、つぎに、前記第２のスイッチング回路からパルス電流を供給し、前記電極と被加工物との相対位置を制御しながら放電加工を行う放電加工機用の電源装置において、
放電を発生させるための電圧を出力すると同時またはそれ以前に、ダイオードに順方向電流が供給されるダイオードと抵抗器を含む電流ループを有し、放電が発生した瞬間に前記ダイオードに対する順方向電流の供給が遮断され、前記ダイオードの逆回復電流を電極と被加工物との間の極間間隙に出力することを特徴とする放電加工用電源装置。
【請求項２】
前記ダイオードに対する順方向電流の供給遮断を行う半導体スイッチング素子を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の放電加工用電源装置。
【請求項３】
放電が発生した瞬間に前記ダイオードの両端に逆方向の電圧がかかる回路構成とされ、このときに発生するダイオードの逆回復電流を電極と被加工物との間の極間間隙に出力することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の放電加工用電源装置。
【請求項４】
前記ダイオードが並列、もしくは直列に複数設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の放電加工用電源装置。
【請求項５】
前記ダイオードに順方向電流を供給する直流電源は前記第１のスイッチング回路あるいは前記第２のスイッチング回路を構成する直流電源以外に、別の直流電源が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の放電加工用電源装置。
【請求項６】
前記ダイオードの順方向電流は、前記第１のスイッチング回路の直流電源から供給されるよう回路構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の放電加工用電源装置。
【請求項７】
それぞれ並列に接続された第１のスイッチング回路と第２のスイッチング回路を備え、電極と被加工物との間の極間間隙に先ず前記第１のスイッチング回路から、つぎに、前記第２のスイッチング回路からパルス電流を供給し、前記電極と被加工物との相対位置を制御しながら放電加工を行う放電加工機用の電源装置において、
放電を発生させるための電圧を出力すると同時またはそれ以前にコンデンサを充電する、コンデンサと抵抗器を含む電流ループを有し、放電が発生した後に前記コンデンサからの放電電流を前記第２のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力するよう構成されていることを特徴とする放電加工用電源装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、放電加工用電源装置に関し、特に、半導体スイッチング素子を使用して間欠的なパルス電流を発生するトランジスタ式の放電加工用電源装置に関するものである。
背景技術
加工液を介して電極と被加工物との間に形成される加工間隙に、間欠的なパルス電流を供給し、数値制御によって前記電極と被加工物との相対位置を制御しながら放電加工を行なう放電加工機用の電源装置として、オン・オフ動作を繰り返す半導体スイッチング素子によって間欠的なパルス電流を発生するトランジスタ式の放電加工用電源装置が知られている。
この種の放電加工用電源装置の従来例を、第７図（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。なお、第７図（ａ）は、放電加工用電源装置の回路構成を示しており、第７図（ｂ）は、それの駆動制御系を示している。
放電加工用電源装置は、被加工物Ｗと電極Ｅとに、パルス電流を供給するスイッチング回路として、互いに並列に接続された第１のスイッチング回路２０と第２のスイッチング回路３０とを有している。
第１のスイッチング回路２０は、直流電源Ｖ２１と、ＦＥＴ等による半導体スイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４と、電流制限用の抵抗器Ｒ２１とにより構成されている。第２のスイッチング回路３０は、直流電源Ｖ３１と、半導体スイッチング素子Ｓ３１、Ｓ３２と、ダイオードＤ３１、Ｄ３２とにより構成されている。
なお、第７図（ａ）にて、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ３１、Ｌ３２は回路中の浮遊インダクタンスを、Ｃ１１は回路中の浮遊容量をそれぞれ示している。
放電加工用電源装置の駆動制御系は、放電検出回路３１と、発振制御回路３２と、上述した第１のスイッチング回路２０の半導体スイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４を駆動制御するドライブ回路３３と、上述した第２のスイッチング回路３０の半導体スイッチング素子Ｓ３１、Ｓ３２を駆動制御するドライブ回路３４を有している。
つぎに、動作について説明する。電極Ｅと被加工物Ｗとの間（以下、極間と称す）が、放電、短絡していない状態において、スイッチング素子Ｓ２２、Ｓ２３をオフとし、スイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２４を同時にオンすると、直流電源Ｖ２１の電圧が極間に現れる。同時に、回路中の浮遊容量Ｃ１１は直流電源Ｖ２１の電圧まで充電される。極間に放電が発生するように、電極Ｅと被加工物Ｗとの間の距離は、図示していない数値制御装置とサーボ駆動制御装置により制御される。直流電源Ｖ２１の出力電圧によって極間に放電が発生すると、まず、回路中の浮遊容量Ｃ１１に蓄電されていた電荷が極間にコンデンサ放電され、放電開始電流ＩＣが流れる。これにより極間には導電路が形成される。
この導電路を維持しておくためには、回路中の浮遊容量Ｃ１１の電荷が放電しきった後も極間に電流を流し続けておかなければならないので、スイッチング素子Ｓ２１とＳ２４は、オンしたままにしておく。
直流電源Ｖ２１からは、抵抗器Ｒ２１、スイッチング素子Ｓ２１、回路インダクタンスＬ２１、被加工物Ｗ、電極Ｅ、回路インダクタンスＬ２２、スイッチング素子Ｓ２４、直流電源Ｖ２１へと放電維持電流ＩＲが流れ、極間に形成された導電路が維持される。このとき、放電維持電流ＩＲは、抵抗器Ｒ２１を通して流れるので、放電維持電流ＩＲの最大値は抵抗器Ｒ２１によって、ＩＲ（ｍａｘ）＝Ｖ２１／Ｒ２１に制限される。
したがって、この放電維持電流ＩＲは比較的電流値が小さく、加工エネルギとしても弱いため、後述する大電流の放電加工電流ＩＳを流すための予備放電電流の役割を持つ。
また、上述した動作は、スイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２４をオフとし、スイッチング素子Ｓ２２、Ｓ２３を同時にオンすることにより、極間に対して出力電圧、出力電流の極性を逆転するパターンでも行われる。
放電維持電流ＩＲは放電発生と同時に極間に現れてくる電流であるが、放電発生を検知してから極間に流そうとする大電流の放電加工電流ＩＳは、後述のように最初の放電発生から、ある時間遅れて極間に出力されることになる。
放電検出回路３１は、極間に放電が発生したことによって極間電圧が低下したことを検出し、発振制御回路３２に大電流出力の指令を行なう。発振制御回路３２は、極間の加工状態によって設定する時間幅のパルス信号をドライブ回路３４へ出力する。ドライブ回路３４は発振制御回路３２で設定されている時間幅分だけスイッチング素子Ｓ３１、Ｓ３２を同時にオン駆動する。
スイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２４、Ｓ３１、Ｓ３２がすべてオン状態になると電圧の異なる複数の直流電源が接続された回路を形成することになり、サージ電圧を含む電位差により回路中の素子を破壊してしまう危険が考えられることから、スイッチング素子Ｓ３１、Ｓ３２をオンするときには、安全策としてスイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２４をオフするようにする。
スイッチング素子Ｓ３１、Ｓ３２が同時にオンすることにより、直流電源Ｖ３１からはスイッチング素子Ｓ３１、回路インダクタンスＬ３１、被加工物Ｗ、電極Ｅ、回路インダクタンスＬ３２、スイッチング素子Ｓ３２、直流電源Ｖ３１へと大電流の放電加工電流ＩＳが流れる。
発振制御回路３２からのパルス信号出力が無くなると、駆動回路３４はスイッチング素子Ｓ３１、Ｓ３２をオフ駆動する。放電加工電流ＩＳは、回路インダクタンスＬ３１、Ｌ３２の誘導作用により、回路中を流れ続けようとするが、ダイオードＤ３２、回路インダクタンスＬ３１、被加工物Ｗ、電極Ｅ、回路インダクタンスＬ３２、ダイオードＤ３１、直流電源Ｖ３１へと帰還、回生される。
第８図は、上述した動作によって得られる従来装置での放電加工電流の波形と各制御信号の出力タイミングを示している。第８図において、ＶＷＥは極間電圧、ＩＣは回路中の浮遊容量Ｃ１１のコンデンサ放電による放電開始電流、ＩＲは第１のスイッチング回路２０から出力される放電維持電流、ＩＳは第２のスイッチング回路３０から出力される放電加工電流、ＰＫは放電検出出力信号、ＰＣは発振制御出力信号、ＰＤは半導体スイッチング素子のドライブ信号、ＩＷＥは極間電流をそれぞれ示している。
極間に放電が発生した瞬間には、回路中の浮遊容量Ｃ１１のコンデンサ放電による放電開始電流ＩＣが極間に現れる。極間に放電が発生した後も、第１のスイッチング回路２０のスイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２４はオンしており、放電開始電流ＩＣによって極間に導電路が形成された瞬間から、第１のスイッチング回路２０から放電維持電流ＩＲが極間に出力し始める。
放電維持電流ＩＲは、回路中のインダクタンスＬ２１、Ｌ２２を通して極間に出力されるので、瞬時には立ち上らず、Ｖ２１／（Ｌ２１＋Ｌ２２）の傾きを持って流れ始める。なお、放電維持電流ＩＲは前述したように抵抗器Ｒ２１によって制限されるため、最大値ＩＲ（ｍａｘ）＝Ｖ２１／Ｒ２１以上にはならない。スイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２４は、第２のスイッチング回路３０のスイッチング素子Ｓ３１、Ｓ３２がオンするまでにオフとするので、放電維持電流ＩＲは、この時点まで出力される。
一方、極間電圧ＶＷＥは、放電が発生したことにより放電電圧Ｖａまで低下するため、放電検出回路３１はこれを検出して放電検出信号ＰＫを出力する。但し、放電発生を検知するまでの遅れ時間や信号出力のための時間がかかるため、放電検出信号ＰＫは放電発生の瞬間から遅れ時間ｔｋ後に出力される。
発振制御回路３２は放電検出信号ＰＫを受けて発振制御信号ＰＣを出力するが、ここでも同様に遅れ時間ｔｃが発生する。また、同様に、ドライブ回路の出力信号ＰＤにも遅れ時間ｔｄ、スイッチング素子自体にも遅れ時間ｔｓが発生する。したがって、放電加工電流ＩＳは、放電発生時点ｔｏからｔｋ＋ｔｃ＋ｔｄ＋ｔｓ＝ｔｒ後に極間に現れる。放電加工電流ＩＳは、第２のスイッチング回路３０から回路インダクタンスＬ３１、Ｌ３２を通して出力される電流であり、放電維持電流ＩＲと同様に瞬時には立ち上らず、Ｖ３１／（Ｌ３１＋Ｌ３２）の傾きを持ってスイッチング素子Ｓ３１、Ｓ３２がオンしている期間中上昇し続ける。通常は、直流電源Ｖ３１の電圧の方が直流電源Ｖ２１の電圧よりも２〜３倍程度高いので、放電加工電流ＩＳの立ち上がりの傾きは放電維持電流ＩＲの立ち上がりの傾きよりも急峻になる。
スイッチング素子Ｓ３１、Ｓ３２がオフすると、放電加工電流ＩＳは下降に転じる。極間電流ＩＷＥは、ＩＷＥ＝ＩＣ＋ＩＲ＋ＩＳであり、最初の放電開始電流ＩＣと、最終的な大電流の放電加工電流ＩＳとの時間差の間を、第１のスイッチング回路２０から出力される放電維持電流ＩＲで繋げることにより、極間電流ＩＷＥが途切れることなく、極間の放電状態を維持しながら繰り返し放電加工が行われる。
しかしながら、上述した従来の放電加工用電源装置では、放電維持電流ＩＲの上限値が抵抗器Ｒ２１で制限されていることや、回路中のインダクタンスＬ２１、Ｌ２２によって過渡状態の初期の段階では電流値が低いために、放電発生後に形成された極間の導電路が維持できず、放電加工電流ＩＳの投入に失敗することがある。特に、大型の放電加工機では、電源装置と機械本体の極間との距離が長くなり、その間を結ぶ給電ケーブルの長さも長くなるため、回路中のインダクタンスが大きくなり、放電開始電流ＩＣが消滅した後も、放電維持電流ＩＲが立ち上がってこない場合があり、極間に形成されていた導電路が絶たれてしまう。
また、抵抗器Ｒ２１においても抵抗巻線によるインダクタンス成分が存在し、必要な抵抗値を得るために、結果的に抵抗器のインダクタンスが大きくなる場合には、さらに放電維持電流ＩＲの立ち上がりを妨げる影響を及ぼす。
また、最初の放電開始電流ＩＣはコンデンサ放電による電流であり、実際には振動成分を含んでいるので、予め放電維持電流ＩＲの最大値を多少大きくしていたとしても、この振動の負側の成分によって放電維持電流ＩＲが相殺されて、極間に形成されていた導電路が絶たれてしまうこともある。
このように、放電加工電流ＩＳを投入する以前に放電開始電流ＩＣによって確保された極間の導電路が絶たれてしまうと、予備放電電流によって安定して放電加工電流ＩＳを極間に供給するという作用が得られないので、放電加工においては様々な障害が発生する。
極間の導電路が絶たれている状態では、第２のスイッチング回路電源装置３０の出力が開放状態であるので、放電加工電流ＩＳが流れず、この場合には、正常な放電加工が行なわれない。このような状態が発生する頻度が高くなると有効な放電回数が低下してしまい、本来得られるはずの加工速度が得られなかったり、それ以上の加工速度の向上を図ることができなくなってしまう問題がある。
また、直流電源Ｖ３１の電圧は短時間に大電流を出力するために、通常は直流電源Ｖ２１の電圧よりも２〜３倍程度高くしてあるが、極間に導電路がなく、開放状態となった場合は、この直流電源Ｖ３１の高電圧が極間に印加された状態となり、この高電圧によって新たに放電を発生させて予備放電なく突然大電流を極間に流すことになる。すると、電極Ｅがワイヤ電極のような細い電極の場合にはワイヤ電極が断線してしまったり、電極に断線が発生しなくても加工面が粗くなって加工精度が悪化する原因となり、安定した放電加工特性を得ることができない等の問題が生じる。
上述のような問題については、日本国特許公報（特公平５−９２０９号）に開示されたワイヤカット放電加工装置用電源においても同様な指摘がされており、そこでは、インダクタンスとコンデンサを直列接続した回路を極間と並列に設けることにより放電発生後の極間の導電路を維持し、放電状態を安定に持続させ、加工効率の低下を防止している。
しかしながら、この場合では、結果的に極間に余分なコンデンサを付加するので、たとえば、電源装置側からみた電気容量は回路中の浮遊容量と合せて増大してしまい、出力電圧を極間に印加した際の立ち上がり時定数が大きくなり、極間電圧の立ち上がりが遅くなってしまう。
このため、放電発生させるまでの電圧印加時間が長くなり、有効な放電回数が減少するために加工効率が充分に向上できない欠点がある。
また、付加するインダクタンスとコンデンサの値により、固有の振動周波数を得ているが、近年の放電加工用電源装置では、極間に印加する電圧の極性を交互に入れ替えて発振出力していく両極性タイプのものが主流となってきており、この場合には、付加されたコンデンサは少なくとも電圧印加の発振周波数によって充放電動作を繰り返すことになる。また、高周波用途のコンデンサであっても、誘電損失は存在するので、電圧印加の発振周波数に制限を加えるだけでなく誘電損失による発熱も伴い、供給エネルギの損失も発生してしまうと云う問題が生じる。
従って、この発明は、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持し、放電加工電流の投入失敗や、電極、被加工物への不要な損傷をなくし、放電加工の効率と品質を向上することのできる放電加工用電源装置を提供することを目的としている。
発明の開示
この発明は、それぞれ並列に接続された第１のスイッチング回路と第２のスイッチング回路を備え、電極と被加工物との間の極間間隙に先ず前記第１のスイッチング回路から、つぎに、前記第２のスイッチング回路からパルス電流を供給し、前記電極と被加工物との相対位置を制御しながら放電加工を行う放電加工機用の電源装置において、放電を発生させるための電圧を出力すると同時またはそれ以前に、ダイオードに順方向電流が供給されるダイオードと抵抗器を含む電流ループを有し、放電が発生した瞬間に前記ダイオードに対する順方向電流の供給が遮断され、前記ダイオードの逆回復電流を電極と被加工物との間の極間間隙に出力する放電加工用電源装置を提供することができる。
したがって、放電が発生した瞬間に、ダイオードの逆回復電流を第２のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力することができ、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持できる。
また、この発明は、前記ダイオードに対する順方向電流の供給遮断を行う半導体スイッチング素子を有する電加工用電源装置を提供することができる。したがって、半導体スイッチング素子のオン・オフによってダイオードに対する順方向電流の供給遮断を行い、放電が発生した瞬間に、ダイオードの逆回復電流を第２のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力することができ、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持できる。
また、この発明は、放電が発生した瞬間に前記ダイオードの両端に逆方向の電圧がかかる回路構成とされ、このときに発生するダイオードの逆回復電流を電極と被加工物との間の極間間隙に出力する放電加工用電源装置を提供することができる。したがって、放電が発生した瞬間にダイオードの両端に逆方向の電圧がかかり、放電が発生した瞬間に、ダイオードの逆回復電流を第２のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力することができ、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持できる。
また、この発明は、前記ダイオードが並列、もしくは直列に複数設けられている放電加工用電源装置を提供することができる。したがって、ダイオードの並列接続個数、直列接続個数を必要とされる逆回復電流の電流値に応じて適正値に設定することができる。
また、この発明は、前記ダイオードに順方向電流を供給する直流電源は前記第１のスイッチング回路あるいは前記第２のスイッチング回路を構成する直流電源以外に、別の直流電源が設けられている放電加工用電源装置を提供することができる。したがって、第１のスイッチング回路あるいは第２のスイッチング回路を構成する直流電源以外の直流電源によりダイオードに順方向電流が供給される。  また、この発明は、前記ダイオードの順方向電流は、前記第１のスイッチング回路の直流電源から供給されるよう回路構成されている放電加工用電源装置を提供することができる。したがって、第１のスイッチング回路を構成する直流電源によりダイオードに順方向電流が供給される。
また、この発明はそれぞれ並列に接続された第１のスイッチング回路と第２のスイッチング回路を備え、電極と被加工物との間の極間間隙に先ず前記第１のスイッチング回路から、つぎに、前記第２のスイッチング回路からパルス電流を供給し、前記電極と被加工物との相対位置を制御しながら放電加工を行う放電加工機用の電源装置において、放電を発生させるための電圧を出力すると同時またはそれ以前にコンデンサを充電する、コンデンサと抵抗器を含む電流ループを有し、放電が発生した後に前記コンデンサからの放電電流を前記第２のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力するよう構成されている放電加工用電源装置を提供することができる。
したがって、放電が発生した後にコンデンサからの放電電流を第２のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力することができ、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持できる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
第１図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態１の回路構成を示している。放電加工用電源装置は、被加工物Ｗと電極Ｅとに、パルス電流を供給するスイッチング回路として、並列に接続された第１のスイッチング回路１と第２のスイッチング回路１０とを有している。
第１のスイッチング回路１は、直流電源Ｖ１、Ｖ３と、ＦＥＴ等による半導体スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、抵抗器Ｒ１、Ｒ２とにより構成されている。第２のスイッチング回路１０は、直流電源Ｖ１１と、半導体スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２、ダイオードＤ１１、Ｄ１２とにより、従来のものと同等に構成されている。なお、第１図にて、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ１１、Ｌ１２は回路中の浮遊インダクタンスを、Ｃ１は回路中の浮遊容量をそれぞれ示している。
放電加工用電源装置は、第１のスイッチング回路１の半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と、第２のスイッチング回路１０の半導体スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２のオン・オフ制御により、先ず、第１のスイッチング回路１から電極Ｅと被加工物Ｗとの間の極間間隙にパルス電流を供給し、つぎに、第２のスイッチング回路１０から電極Ｅと被加工物Ｗとの間の極間間隙にパルス電流を供給する。第１のスイッチング回路１のダイオードＤ１、Ｄ２は、互いに並列に接続され、半導体スイッチング素子Ｓ５のオン・オフにより、放電を発生させるための電圧を出力すると同時またはそれ以前に、直流電源Ｖ３より順方向電流を供給され、抵抗器Ｒ２を含む電流ループを、抵抗器Ｒ１に対して並列の回路として形成している。そして、半導体スイッチング素子Ｓ５のオン・オフにより、放電が発生した瞬間に、ダイオードＤ１、Ｄ２の順方向電流Ｉｆの供給を遮断し、このときに発生するダイオードＤ１、Ｄ２の逆回復電流を、第２のスイッチング回路１０によって出力される加工電流よりも先に、電極Ｅと被加工物Ｗとの間の極間間隙に出力するようになっている。
ダイオードの逆回復電流を発生する回路は、要約すれば、抵抗器Ｒ１に対して並列の回路として、互いに並列に接続されたダイオードＤ１、Ｄ２と、ダイオードＤ１、Ｄ２に対して直列に接続された直流電源Ｖ３、抵抗器Ｒ１と、直流電源Ｖ３、抵抗器Ｒ１の直列回路に対して並列に接続されてダイオードＤ１、Ｄ２に対する通電をオン・オフ制御する半導体スイッチング素子Ｓ５とにより構成されている。
ここで、一般的なダイオードの逆回復電流の原理について第２図（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。なお、この現象は、既に公知の現象であるので、ここでは、簡略に説明する。第２図（ａ）に示されている回路において、スイッチＳＷをオンすると、ダイオードＤには順方向電流Ｉｆが流れる。この状態で、スイッチＳＷをオフにすると、ダイオードＤのスイッチング動作により電流は遮断されようとするが、瞬時には遮断されず、第２図（ｂ）に示されているように、ある時間は逆方向の電流Ｉｒｒが流れる。これは、ダイオードＤのｐｎ接合部に少数キャリアが残留しているためで、この残留キャリアが消滅するまでにかかる時間が逆回復時間ｔｒｒであり、この間に逆方向に逆回復電荷Ｑｒｒが発生する。この作用により、逆回復電流Ｉｒｒが発生する。逆回復時間ｔｒｒは、短いものでも５０ｎｓ程度で、長いものでは１００μｓ程度にもなる。
ダイオードＤの逆回復電流Ｉｒｒは、第２図（ｃ）に示されているような特性を示し、順方向電流Ｉｆの大きさにはあまり依存せず、電流変化率ｄｉ／ｄｔに大きく影響される。なお、ショットキバリアダイオードの場合は、多数キャリア素子のため、基本的に上述の逆回復現象はないとされている。
つぎに、上述の如き構成による実施の形態１の動作について説明する。極間が放電、短絡していない状態において、第１のスイッチング回路１のスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５をオフとし、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４を同時にオンすると、直流電源Ｖ１の電圧が極間に現れる。同時に、回路中の浮遊容量Ｃ１は直流電源Ｖ１の電圧まで充電される。
このとき、スイッチング素子Ｓ５はオフとしてあり、ダイオードＤ１、Ｄ２には、直流電源Ｖ３、抵抗器Ｒ２、ダイオードＤ１、Ｄ２、抵抗器Ｒ１、直流電源Ｖ３へと、順方向電流Ｉｆが流れる。なお、電極Ｅと被加工物Ｗとの間の距離は、極間に放電が発生するように、図示されていない数値制御装置とサーボ駆動制御装置により適正値に制御される。直流電源Ｖ１の出力電圧によって極間に放電が発生すると、まず、回路中の浮遊容量Ｃ１に蓄電されていた電荷が極間にコンデンサ放電され、放電開始電流ＩＣが流れる。これにより極間には導電路が形成される。
この導電路を維持しておくためには、回路中の浮遊容量Ｃ１の電荷が放電しきった後も極間に電流を流し続けておかなければならないので、スイッチング素子Ｓ１とＳ４はオン、スイッチング素子Ｓ２とＳ３はオフしたままにしておく。
スイッチング素子Ｓ５は、放電発生と同時にオンとする。これにより、ダイオードＤ１、Ｄ２の順方向電流Ｉｆの供給が絶たれ、ダイオードＤ１、Ｄ２には逆回復電流Ｉｒｒが流れる。この逆回復電流Ｉｒｒは、ダイオードＤ１、Ｄ２、スイッチング素子Ｓ５、スイッチング素子Ｓ１、回路インダクタンスＬ１、被加工物Ｗ、電極Ｅ、回路インダクタンスＬ２、スイッチング素子Ｓ４、直流電源Ｖ１、ダイオードＤ１、Ｄ２へと流れる。すなわち、逆回復電流Ｉｒｒは極間に出力される。この様子は、第３図に波形ＩＤで示してあるが、極間に対する電流の方向を統一するために、第２図（ｂ）の波形とは極性を逆転させて示している。
この間、スイッチング素子Ｓ１とＳ４はオン、スイッチング素子Ｓ２とＳ３はオフとしているので、直流電源Ｖ１からは抵抗器Ｒ１、スイッチング素子Ｓ１、回路インダクタンスＬ１、被加工物Ｗ、電極Ｅ、回路インダクタンスＬ２、スイッチング素子Ｓ４、直流電源Ｖ１へと放電維持電流ＩＲが流れる。
したがって、第１のスイッチング回路１からは、ＩＲ＋Ｉｒｒの電流が極間に出力されることになる。この出力電流ＩＲ＋Ｉｒｒにより、放電開始電流ＩＣによって極間に形成された導電路が維持される。しかし、これらの電流は比較的電流値が小さく、加工エネルギとしても弱いため、後述する大電流の放電加工電流ＩＳを流すための予備放電電流の役割を持つ。
また、上述した動作は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４をオフとし、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３を同時にオンすることにより、極間に対して出力電圧、出力電流の極性を逆転するパターンでも行われる。
第２のスイッチング回路１０から出力される放電加工電流ＩＳは、放電発生を検知してから極間に流そうとするために、最初の放電発生からある時間遅れて極間に出力されることになる。すなわち、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２をオン駆動する以前には、加工状態によりオン時間を設定する演算処理や発振制御、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２自体の駆動にかかる時間などにより、遅れ時間が存在する。スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ１１、Ｓ１２がすべてオン状態になると電圧の異なる複数の直流電源が接続された回路を形成することになり、サージ電圧を含む電位差により、回路中の素子を破壊してしまう危険が考えられることから、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２をオンするときには安全策としてスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４をオフするようにする。
スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２が同時にオンすることにより、直流電源Ｖ１１からはスイッチング素子Ｓ１１、回路インダクタンスＬ１１、被加工物Ｗ、電極Ｅ、回路インダクタンスＬ１２、スイッチング素子Ｓ１２、直流電源Ｖ１１へと大電流の放電加工電流ＩＳが流れる。
設定されたオン時間経過後、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２はオフするが、回路インダクタンスＬ１１、Ｌ１２の誘導作用により回路中を流れ続けようとする放電加工電流ＩＳは、ダイオードＤ１２、回路インダクタンスＬ１１、被加工物Ｗ、電極Ｅ、回路インダクタンスＬ１２、ダイオードＤ１１、直流電源Ｖ１１へと帰還、回生される。
第３図は、上述した動作によって得られる放電加工電流の波形を示している。第３図において、ＶＷＥは極間電圧、ＩＣは回路中の浮遊容量Ｃ１のコンデンサ放電による放電開始電流、ＩＤはダイオードＤ１、Ｄ２の電流、ＩＳは第２のスイッチング回路１０から出力される放電加工電流、ＩＲは第１のスイッチング回路１から出力される放電維持電流、ＩＷＥは極間電流をそれぞれ示している。
放電発生後、放電加工電流ＩＳが極間に現れるまでの遅れ時間は通常４００ｎｓ程度であり、放電開始電流ＩＣのコンデンサ放電のパルス幅は３５０ｎｓ程度である。この場合、極間電流が途切れてしまう可能性のある期間が５０ｎｓ程度ある。
しかしながら、ダイオードＤ１、Ｄ２の逆回復電流Ｉｒｒが発生する時間、すなわち逆回復時間ｔｒｒは１００ｎｓ程度以上あるので、放電開始電流ＩＣ出力後、放電加工電流ＩＳが現れるまでの遅れ時間の期間中、逆回復電流Ｉｒｒにより、極間電流が途切れることなく極間に形成された導電路を維持することができる。
また、ここでは、逆回復電流Ｉｒｒを発生させるダイオードは、ダイオードＤ１、Ｄ２の二つのみであるが、必要な逆回復電流Ｉｒｒを得るために、それ以上に、多数並列、直列に接続することがてきる。また、極間に現れる極間電流ＩＷＥは、ＩＷＥ＝ＩＣ＋ＩＲ＋Ｉｒｒ＋ＩＳとなり、従来よりも、逆回復電流Ｉｒｒによって電流波形全体の面積は増加する。これにより、加工エネルギが増加するから、同一の放電周波数で比較すると、加工効率が向上する。
なお、ダイオードＤ１、Ｄ２の逆回復電流Ｉｒｒによって、放電開始電流ＩＣと放電加工電流ＩＳとの遅れ時間の期間中、極間の導電路を維持することができる範囲であれば、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２はスイッチング応答時間の遅い素子でもよい。
一般的に、半導体スイッチング素子は、定格容量が大容量になるほどスイッチング応答時間が遅くなる傾向にある。スイッチング応答時間が遅くてもよければ、ＩＧＢＴやパワーモジュールを使用することができるようになる。ＩＧＢＴモジュールなどでは、１素子でも大容量であり、電流容量が必要な場合に素子を多数並列に組み合せる必要がなく、電源装置を小型化することもできる。
第４図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態２の回路構成を示している。なお、第４図において、第１図に対応する部分は、第１図に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
この実施の形態では、第１のスイッチング回路２の放電維持電流ＩＲのための直流電源とダイオードＤ１、Ｄ２の直流電源とが共通の直流電源Ｖ２により構成されている。ダイオードＤ１、Ｄ２の並列回路と直列に、抵抗器Ｒ２、半導体スイッチング素子Ｓ６が接続され、抵抗器Ｒ２と半導体スイッチング素子Ｓ６の直列回路に対して並列に平滑用コンデンサＣ２が接続されている。半導体スイッチング素子Ｓ６はＰＷＭ制御回路３によりＰＷＭ制御される。
直流電源Ｖ２の出力電圧は、抵抗器Ｒ１、ダイオードＤ１、Ｄ２を介して、平滑用コンデンサＣ２の両端にかかる。ＰＷＭ制御回路３は、平滑用コンデンサＣ２の両端にかかる電圧をフィードバックしながら、外部から設定される基準電圧Ｖｒｅｆとの差を検知し、抵抗器Ｒ２と直列に接続されたスイッチング素子Ｓ６をＰＷＭ制御することにより、平滑用コンデンサＣ２の両端電圧を設定した所望の値に定電圧制御する。
直流電源Ｖ２の出力電圧と平滑用コンデンサＣ２の両端電圧の電圧差は、抵抗器Ｒ１で受け持つため、回路中の損失を無視すれば、極間に現れる電圧は平滑用コンデンサＣ２の両端電圧となる。つまりここでは、極間に印加する電圧はＰＷＭ制御回路３によって可変設定できるので、直流電源Ｖ２の出力電圧は可変電圧である必要はない。
つぎに、上述の如き構成による実施の形態２の動作について説明する。極間が放電、短絡していない状態において、第１のスイッチング回路２のスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３をオフとし、半導体スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４を同時にオンすると、平滑用コンデンサＣ２の両端電圧が極間に現れる。同時に、回路中の浮遊容量Ｃ１は平滑用コンデンサＣ２の両端電圧まで充電される。なお、既にダイオードＤ１、Ｄ２には、直流電源Ｖ２、抵抗器Ｒ１、ダイオードＤ１、Ｄ２、平滑用コンデンサＣ２、直流電源Ｖ２へと、順方向電流Ｉｆが流れる。
放電が発生すると、平滑用コンデンサＣ２の両端電圧よりも極間電圧の方が低くなるため、ダイオードＤ１、Ｄ２の両端電圧が逆方向に極性反転し、ダイオードＤ１、Ｄ２に対する順方向電流Ｉｆの供給は絶たれ、逆回復電流Ｉｒｒが発生する。この逆回復電流Ｉｒｒは、ダイオードＤ１、Ｄ２、スイッチング素子Ｓ１、回路インダクタンスＬ１、被加工物Ｗ、電極Ｅ、回路インダクタンスＬ２、スイッチング素子Ｓ４、平滑用コンデンサＣ２、ダイオードＤ１、Ｄ２へと流れる。これにより、逆回復電流Ｉｒｒが極間に出力される。これより以降の動作は、実施の形態１と同様となる。従って、実施の形態２においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
第５図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態３の回路構成を示している。なお、第５図においても、第１図に対応する部分は、第１図に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
この実施の形態では、直流電源Ｖ３が、第１のスイッチング回路４の直流電源Ｖ１や抵抗器Ｒ１と直列に、第１のスイッチング回路４の主回路中に設けられ、ダイオードの逆回復電流を発生する回路は、並列接続のダイオードＤ１とＤ２が直流電源Ｖ３と抵抗器Ｒ１と並列に接続され、直流電源Ｖ３、抵抗器Ｒ１によりダイオードＤ１、Ｄ２に順方向電流を流す電流ループを形成している。なお、直流電源Ｖ３の発生電圧は直流電源Ｖ１の発生電圧より低い値に設定される。
上述の回路では、半導体スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４がオンすると、直流電源Ｖ１から印加される電圧により、ダイオードＤ１、Ｄ２が逆バイアスされ、これに伴いダイオードＤ１、Ｄ２に逆回復電流Ｉｒｒが発生する。この逆回復電流Ｉｒｒを実施の形態１と同様に第２のスイッチング回路１０によって出力される加工電流よりも先に電極Ｅと被加工物Ｗとの間の極間間隙に出力する。
これにより、放電開始電流ＩＣ出力後、第２のスイッチング回路１０を通じて放電加工電流ＩＳが供給される前に、逆回復電流Ｉｒｒを極間に流すことができ、極間電流が途切れるのを防ぐことができる。従って、実施の形態３においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
実施の形態３の回路構成では、第２のスイッチング回路１０から第１のスイッチング回路４側を見た場合に、抵抗器Ｒ１とダイオードＤ１、Ｄ２とが並列に接続されているようにみえる。このとき、第２のスイッチング回路１０から第１のスイッチング回路４に向かう向きが、ダイオードＤ１、Ｄ２の順方向であるため、第２のスイッチング回路１０から供給される電流の一部がダイオードＤ１、Ｄ２を通じて直流電源Ｖ１に流れ込み、悪影響を及ぼす可能性がある。これを回避するために、実施の形態３では、直流電源Ｖ１の出力に第２のスイッチング回路１０からの電流流入を阻止するダイオードＤ３が設けられている。
以上に説明したように、実施の形態１〜３では、放電開始電流ＩＣの出力後、第２のスイッチング回路１０を通じて放電加工電流ＩＳが供給される前に極間電流が途切れるのを防ぐために、ダイオードＤ１、Ｄ２で発生した逆回復電流Ｉｒｒを用いる構成になっている。
これにより、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持し続けることができ、加工電流投入失敗による加工効率の低下を防止でき、電極線の不要な断線も抑制することができるようになり、加工効率や加工速度を向上する効果がある。また、予備放電から滑らかに加工電流を投入することによって加工面の荒れを抑制し、加工精度や加工品質を向上する効果も得られる。
また、前述したように、スイッチング応答時間の比較的低速な大容量素子も使用できるようになるため、素子数を低減でき、電源装置自体も小型化が図れ、安価に提供できるようになる。
第６図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態４の回路構成を示している。なお、第６図においても、第１図に対応する部分は、第１図に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
この実施の形態では、予備放電電流を強化するためのコンデンサＣ３が設けられ、直流電源Ｖ３、抵抗器Ｒ１、コンデンサＣ３により、コンデンサＣ３の充電ループが第１のスイッチング回路５に形成されている。
つぎに、上述の如き構成による実施の形態４の動作について説明する。第１のスイッチング回路５、および第２のスイッチング回路１０が動作する以前に、電源Ｖ３、抵抗器Ｒ１、コンデンサＣ３の電流ループによりコンデンサＣ３が充電される。つぎに、第１のスイッチング回路５の半導体スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４が同時にオンすることにより、コンデンサＣ３に充電された電荷が放出され、スイッチＳ１、Ｓ４を通じて極間に供給される。
これにより、実施の形態１〜３に記したダイオード逆回復電流を極間に供給する場合と同様に、第２のスイッチング回路１０を通じて放電加工電流ＩＳが供給される前に、極間電流が途切れるのをコンデンサからＣ３の放電電流を用いて防ぐことができ、実施の形態１〜３と同等の効果が得られる。
産業上の利用の可能性
ワイヤカット放電加工装置等の放電加工装置のパルス通電用の電源に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態１を示す回路構成図であり、第２図（ａ）〜（ｃ）は、ダイオードの逆回復電流の原理について示す説明図であり、第３図は、この発明の実施の形態１の放電加工用電源装置の動作によって得られる電流波形を示した図であり、第４図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態２を示す回路構成図であり、第５図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態３を示す回路構成図であり、第６図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態４を示す回路構成図であり、第７図は、従来例の放電加工用電源装置の回路構成図であり、第８図は、従来例の放電加工用電源装置の動作原理と電流波形を示した図である。
【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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