(57)【要約】【課題】電極と被加工物との間隙を実時間で正確に検出することができ、被加工物面に平滑で、耐食性、耐摩耗性、及び、硬度に優れた一様な被膜を堆積させることができる。【解決手段】被加工物６と電極７とにパルス電圧を印加するためのパルス発生電源１と、パルス発生電源１によりパルス電圧を印加したときに生じる放電開始前の充電電流、および、パルス電圧を解除したときに生じる放電電流の少なくとも一方を検出する間隙−電極間電流・電圧検出部２と、検出された検出値を間隙８の距離Ｄに換算して間隙８の換算値を求め、求められた換算値と間隙８の基準値とを比較し、比較結果に基づいて、基準値と一致するように間隙８を調節するための制御信号を出力する間隙制御部３と、制御信号に基づいて間隙８を調整する電極送り機構４とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性液体に浸漬された導電性被加工物に対して間隙を介して電極を設置し、パルス電圧を印加することにより、前記電極を構成している導電性被膜材料を前記導電性被加工物の表面に堆積させて被膜を形成するための液中放電表面処理装置であって、
前記導電性被加工物と前記電極とにパルス電圧を印加するためのパルス発生手段と、
前記パルス発生手段によりパルス電圧を印加したときに生じる放電開始前の充電電流、および、前記パルス電圧を解除したときに生じる放電電流の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記検出手段より求められた検出値を前記間隙の距離に換算して前記間隙の換算値を求める換算値演算手段と、
前記換算値演算手段により求められた前記換算値と前記間隙の基準値とを比較する比較手段と、
前記比較手段の比較結果に基づいて、前記基準値と一致するように前記間隙を調節する調節手段と
を備えたことを特徴とする液中放電表面処理装置。
【請求項２】
前記基準値は、前記間隙と前記充電電流あるいは前記放電電流の検出値との関係から求められる換算データベースを用いて初期に設定した間隙の値が基準値として設定されるか、あるいは、初期に入力した間隙の値が基準値として設定されることを特徴とする請求項１記載の液中放電表面処理装置。
【請求項３】
前記換算データベースは、前記間隙と前記充電電流あるいは前記放電電流のピーク値との関係を示すデータを記憶していることを特徴とする請求項２記載の液中放電表面処理装置。
【請求項４】
前記換算データベースは、前記間隙と前記放電電流の全時間積分との関係を示すデータを記憶していることを特徴とする請求項２記載の液中放電表面処理装置。
【請求項５】
前記換算データベースは、前記間隙と前記充電電流あるいは前記放電電流の開始からピークまでの時間積分値との関孫を示すデータを記憶していることを特徴とする請求項２記載の液中放電表面処理装置。
【請求項６】
前記換算値演算手段が用いる前記検出値は、前記充電電流あるいは前記放電電流の検出値のピーク値であることを特徴とする請求項１記載の液中放電表面処理装置。
【請求項７】
前記換算値演算手段が用いる前記検出値は、前記パルス電圧印加時の同一パルスにおける前記充電電流のピーク値および前記放電電流のピーク値の各々から換算した間隙の換算値と前記基準値との差であることを特徴とする請求項１記載の液中放電表面処理装置。
【請求項８】
前記換算値演算手段が用いる前記検出値は、前記充電電流あるいは前記放電電流の開始からピークまでの時間積分値であることを特徴とする請求項１記載の液中放電表面処理装置。
【請求項９】
前記換算値演算手段が用いる前記検出値は、前記放電電流の全時間積分値であることを特徴とする請求項１記載の液中放電表面処理装置。
【請求項１０】
前記換算値演算手段が用いる前記検出値は、前記パルス電圧印加時の同一パルスにおける前記充電電流のピークまでの時間積分値および前記放電電流のピークまでの時間積分値に基づいて求められる、前記充電電流の基準値と前記充電電流のピークまでの時間積分値および前記放電電流の基準値と前記放電電流のピークまでの時間積分値における各々の差であることを特徴とする請求項１記載の液中放電表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は液中放電表面処理装置に関し、特に、絶縁性液体に浸漬された電極と被加工物との間にパルス状電圧を印加して放電を発生させ、被加工物の表面に電極材料を被膜として形成させるための放電間隙を検出する機能と所定の放電間隙に修復させる機能とを具備した液中放電表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加工液中の放電加工法を応用して、被加工物表面に被膜を形成して製品の耐食性、硬度あるいは耐摩耗性を高める放電表面処理装置において、電極（被膜材料）と被加工物との間隙が、放電表面処理に基づく被膜の表面粗さおよび前述の被膜物性に大きな影響を及ぼす因子になっており、この間隙を最適な状態に維持しながら放電表面処理をすることで、最適な被膜を形成できることが知られている。例えば、電極（被膜材料）と被加工物の間隙を最適な状態に維持するために、特殊な歪素子駆動回路による加工電極送り機構と放電電流検出回路を設け、放電電流検出信号が基準値（最適値）より大きい場合は間隙を広げ、放電電流検出信号が基準値より小さい場合は間隙を狭めるような間隙制御動作をすることにより間隙を一定に維持できる放電表面処理装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、電極と被加工物との間隙を最適な状態に維持する他の制御方法として、時間と共に電圧が上昇するパルス電源を用い、放電電流検出機構によりパルス電圧印加後の放電開始までの時間を測定し、放電開始までの時間が適正値に対して短長である場合、間隙を広げるか、あるいは、狭めるようなフィードバック制御を行う。さらに、前記パルス電源を用い、放電開始時のパルス電圧を検出し、放電開始電圧が適正値に対して高低である場合、間隙を広げるか、あるいは、狭めるようなフィードバック制御を行うことにより間隙を所定の状態に維持できる放電表面処理装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、電極と被加工物の間隙を最適状態に維持する別の方法として、放電に基づく電極消耗量を加味した電極送り機構（電極消耗分に相応する距離だけ間隙を狭める機構）を備えた装置において、放電継続時間を計測し、放電が不連続になり、電極送り量がずれた分だけ間隙を補正することにより、所定の間隙を維持するように工夫した放電表面処理装置が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】特許第２７９２９２９号公報
【特許文献２】特開２００２―３６０３０号公報
【特許文献３】特開平１０―２９６５４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載されている従来の液中放電表面処理装置は、電極（被膜材料）と被加工物との間隙を所定の状態に維持すべく、放電電流検出信号を基準値と比較することによって間隙を調節していたため、該放電表面処理装置のように電極表面の微小な放電点が高速で頻繁に移動し、その度に放電による衝撃で電極表面が局所的に消耗しながら間隙が変化している放電現象のもとで、マクロな物性であるグローまたはアーク放電電流から間隙を予測することは、放電に基づくノイズ等により十分な精度が得られないばかりか、どの時点の間隙を反映させているのかといった観点から十分な制御方法とは言えず、不適当な間隙情報のため被加工物表面に堆積された被膜の表面粗さが大きく変動したり、耐摩耗性、耐食性および硬度などの被膜物性に問題を生じたり、信頼性を十分に確保できないといった問題点があった。
【０００７】
また、上記特許文献２に記載されている従来の液中放電表面処理装置において、電極と被加工物との間隙を最適な状態に維持すべく、放電電流を検出することにより放電開始までの時間を計測し、その時間と予め設定された適正値との比較を行い、放電開始までの時間が短い場合は間隙を広げ、長い場合は間隙を狭めるといったフィードバック制御により間隙を調整する場合も、放電開始までの時間は統計的放電開始遅れなどの確率的要素があり、正確な間隙制御手段とはなり得ないといった問題点があった。同様に、放電開始電圧を用いた適正電圧との比較による間隙のフィードバック制御も、電極の表面状態、油中不純物の影響、統計的確率要素などが含まれ、間隙と関係のない因子によって変動するため、間隙を精度よく制御するには問題点があった。
【０００８】
さらに、電極消耗率を設定することにより、放電パルス電圧印加時間に相応した電極（被膜材料）自動送り機構を備えた、上記特許文献３に記載されている液中放電表面処理装置において、放電のパルス割れ（放電が適正条件からはずれ、パルス電圧印加中に瞬間的に不点となり、その後復帰する不連続放電）を補正するために、放電継続時間を積算して電極自動送り機構にフィードバック制御をかけることにより、電極と被加工物との間隙を一定に維持しようとした方法は、液中パルス放電で発生する超音波などの衝撃波あるいは放電に基づく中性・荷電粒子により電極が不規則に消耗する現象には追随できず、現実の間隙状態を検出していないことから、被膜を一様な条件で堆積させるためには信頼性の観点から問題点があった。
【０００９】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、電極と被加工物との間隙を実時間で正確に検出することができ、被加工物面に平滑で、耐食性、耐摩耗性、及び、硬度に優れた一様な被膜を堆積させることが可能な液中放電表面処理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】
【００１０】
この発明は、絶縁性液体に浸漬された導電性被加工物に対して間隙を介して電極を設置し、パルス電圧を印加することにより、前記電極を構成している導電性被膜材料を前記導電性被加工物の表面に堆積させて被膜を形成するための液中放電表面処理装置であって、前記導電性被加工物と前記電極とにパルス電圧を印加するためのパルス発生手段と、前記パルス発生手段によりパルス電圧を印加したときに生じる放電開始前の充電電流、および、前記パルス電圧を解除したときに生じる放電電流の少なくとも一方を検出する検出手段と、前記検出手段より求められた検出値を前記間隙の距離に換算して前記間隙の換算値を求める換算値演算手段と、前記換算値演算手段により求められた前記換算値と前記間隙の基準値とを比較する比較手段と、前記比較手段の比較結果に基づいて、前記基準値と一致するように前記間隙を調節する調節手段とを備えたことを特徴とする液中放電表面処理装置である。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、絶縁性液体に浸漬された導電性被加工物に対して間隙を介して電極を設置し、パルス電圧を印加することにより、前記電極を構成している導電性被膜材料を前記導電性被加工物の表面に堆積させて被膜を形成するための液中放電表面処理装置であって、前記導電性被加工物と前記電極とにパルス電圧を印加するためのパルス発生手段と、前記パルス発生手段によりパルス電圧を印加したときに生じる放電開始前の充電電流、および、前記パルス電圧を解除したときに生じる放電電流の少なくとも一方を検出する検出手段と、前記検出手段より求められた検出値を前記間隙の距離に換算して前記間隙の換算値を求める換算値演算手段と、前記換算値演算手段により求められた前記換算値と前記間隙の基準値とを比較する比較手段と、前記比較手段の比較結果に基づいて、前記基準値と一致するように前記間隙を調節する調節手段とを備えたことを特徴とする液中放電表面処理装置であるので、電極と被加工物との間隙を実時間で正確に検出することができ、被加工物面に平滑で、耐食性、耐摩耗性、及び、硬度に優れた一様な被膜を堆積させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発明の概要
この発明は、絶縁性液体に浸漬された電極と被加工物との間にパルス状電圧を印加して放電を発生させ、被加工物表面に電極材料を被膜として形成させる装置であって、絶縁性液体を介して電極と被加工物の間隙に電圧を印加することにより生ずる充電電流あるいは電圧を解除することにより生ずる放電電流のいずれかを検出することにより電極と被加工物表面の間隙を演算し、その値から被膜形成に最適な放電間隙になるように間隙を制御する液中放電表面処理装置である。
【００１３】
この発明においては、絶縁性液体に浸漬した微小な間隙を介して対向する電極と被加工物とにパルス電圧を印加したときに生じる充電電流、あるいは、該電圧を解除したときに生じる放電電流の少なくとも一方を検出し、検出値を間隙に換算することによって各印加周期毎に実時間で間隙基準値からのズレを検知することができ、ズレに相応した分を修正することで一定の間隙を維持し、安定した放電を持続させることができ、被加工物表面に最適な被膜を堆積させることを可能にする。
【００１４】
以下、絶縁性液体に浸漬した電極間に電圧を印加したとき生ずる充電電流および放電電流について詳細に説明する。
通常、液中放電表面処理装置で電圧印加・電圧解除時に生じる現象は、液中絶縁性液体に浸漬した電極に電圧を印加あるいは解除したとき生ずる平行平板コンデンサーの容量変化と等価であると考えられる。すなわち、放電電源電圧Ｅｇ、放電電流制御負荷Ｒ、コンデンサーの電圧Ｅｃにおいて、電圧印加時間ｔにおける充電あるいは放電に関わる電流Ｉ、蓄積電荷Ｑ、静電容量Ｃ、平行電極板距離Ｄ、真空の誘電率ε０、絶縁性液体の誘電率εＳ、電極の面積Ｓ、のパラメータで示すことができる。
【００１５】
ここで、
Ｃ＝ε０・（εＳ・Ｓ／Ｄ）                （１）
は、誘電率ε０、εＳが定数であるので、電極面積Ｓが一定とすれば、静電容量Ｃは電極間距離Ｄ（被加工物と電極との間隙）のみの関数である。
【００１６】
また、
Ｑ＝Ｃ・Ｅｃ                            （２）
は、電荷Ｑが時間と共に上昇する充電電圧Ｅｃあるいは対称的な減少を示す放電電圧Ｅｃと静電容量Ｃの積で示される。この発明の液中放電表面処理装置を用いた実験から、放電電流制御負荷Ｒを一定とした場合、充・放電電流のピークまでの時間がほぼ一定であることから、その時間内で時間を特定すれば充電電圧Ｅｃもほぼ一定となることがわかった。
【００１７】
すなわち、
Ｑ＝（ε０・εＳ・Ｓ／Ｄ）・Ｅｃ          （３）
は、充・放電電流のピークまでの時間内であれば、（１）式と（２）式との関係および任意の時間ｔにおける間隙Ｄの充・放電電圧Ｅｃがほぼ一定であることから、電荷Ｑが間隙Ｄのみの関数として示される。
【００１８】
また、
【００１９】
【数１】
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【００２０】
は、時間ｔの間蓄積あるいは放電した電荷Ｑが電流の時間積分で表現されることを示す。従って、充・放電電流波形のピーク値Ｉｐまでの時間内であれば、（３）式と（４）式の関係から、パルス電圧印加後あるいは解除後の時間ｔまでの電流の時間積分を行えば、間隙Ｄを求めることができる。また、この発明に係る液中放電表面処理装置の場合、充・放電電流の立ち上がりが急峻であり、直線として近似できるため、電流の時間積分値を面積（時間ｔと時間ｔにおける電流Ｉとの積の半分）として近似しても間隙の測定精度に影響を与えないこともわかった。従って、間隙Ｄと充・放電電流の時間積分値の代わりに充・放電電流のピーク値Ｉｐを用いることも可能であることがわかった。
【００２１】
この発明は、液中放電表面処理装置の電極と被加工物との間隙を一定に維持する手段として、放電開始前および放電終了後の充・放電電流を検出することにより、前述の関係式から各放電パルス電圧ごとに間隙の換算値を求めることができ、換算値と基準値（最適値）との比較に基づき、放電によって消耗する電極および被膜の堆積により増加する被加工物の厚さによって刻々と変化する間隙を正確に把握でき、その結果に基づいたフィードバック制御を行うことにより、間隙を常に最適な所定の状態に維持できることから、面粗さ、諸物性の一様な被膜を形成できるといった従来にない顕著な効果を奏するものである。
なお、この発明で用いられる基準値は、被膜を堆積するとき初期に設定される間隙基準値あるいはその間隙に相当する数値をいう。
【００２２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における液中放電表面処理装置の構成を示すブロック図である。図１において、本実施の形態における液中放電表面処理装置においては、被加工物６が内部に載置される加工油槽９が設けられている。加工油槽９内には、絶縁性液体である加工油が充填されている。被加工物６は、加工油槽９の底部に設置された位置・姿勢制御機構５上に載置される。また、被膜材料である電極７が加工油槽９の上部に設けられ、その下端は加工油槽９内の加工油内に挿入されており、間隙８を介して、被加工物６に対向している。電極７には、間隙８を調節するための電極送り機構４が設けられており、それにより、高さ方向（Ｚ方向）の位置が調節される。また、電極７および被加工物６には、パルス発生電源１が接続され、それによりパルス電圧が印加される。また、電極７とパルス発生電源１とを接続している接続線の途中に直列に接続された放電電流制御回路１０が設けられている。放電電流制御回路１０の電極７側の端子には、放電電流制御回路の負極出力線１１−ｃと放電電圧出力線１２−ｃとが接続されている。なお、負極出力線１１−ｃと放電電圧出力線１２−ｃとは１つの信号線を共用するようにしてもよく、あるいは、別々の信号線から構成するようにしてもよい。また、放電電流制御回路１０のパルス発生電源１側の端子には、放電電流制御回路１０の正極放電電流制御回路の正極出力線１１−ａが接続されている。また、被加工物６とパルス発生電源１とを接続している接続線には放電電圧出力線１２−ａが接続されている。これらの放電電流制御回路１０の正極出力線１１−ａ，負極出力線１１−ｃ，放電電圧出力線１２−ａ，１２−ｃには、間隙−電極間電流・電圧検出部２が接続されている。また、電極送り機構４には間隙制御部３が接続され、間隙制御部３は、間隙−電極間電流・電圧検出部２が接続されている。
【００２３】
本実施の形態における液中放電表面処理装置においては、パルス発生電源１により、加工油槽９に浸漬された被加工物６と被膜材料である電極７にパルス電圧を印加する。印加されたパルス電圧に基づき間隙８を介して生じる充電電流あるいはパルス電圧解除直後に発生する放電電流を放電電流制御回路１０の出力線１１−ａと１１−ｃとにより、また、放電電圧を出力線１２−ａと１２−ｂにより、間隙−電極間電流検出部２で検出し、その検出値に基づき、間隙制御部３で間隙８を演算し、予め設定された所定の間隙基準値に対して演算された間隙８にズレがある場合は、間隙制御部３が電極送り機構４に間隙８を補正する信号を発生し、間隙基準値まで電極７を高さ方向（Ｚ方向）に移動させる。
なお、被加工物６と電極７との平行性および被加工物６への被膜の堆積位置の制御は、位置・姿勢制御装置５によって行うことができる。位置・姿勢制御機構５は横方向（Ｘ方向）および奥行き方向（Ｙ方向）に移動するとともに傾斜を変更して被加工物６の位置、姿勢、電極７との平行性を調整して被加工物６の表面に均等に被膜が堆積されるように動作する。
【００２４】
本実施の形態における液中放電表面処理装置の間隙計測原理について説明する。図２（Ａ）および（Ｂ）は、本実施の形態におけるパルス電圧印加直後の充電電流およびパルス電圧解除直後に発生する放電電流に基づく電流の時間変化を示した一例である。図２（Ａ）は前記に従い、１３０Ｖのパルス電圧を印加し、間隙８を４μｍに設定した場合、充・放電電流が時間の経過と共に増加し、ピークまでの時間に８０ｎｓ程度を要し、また鉱油における通常の火花形成過程から自続的グロー放電を開始するまでの時間が１μｓであり、放電電流はパルス電圧解除後に発生する電流であることから、充・放電電流はグロー放電やアーク放電に基づく電流とは明らかに分離して考えられることを示している。なお、図２（Ａ）における充・放電電流のピーク値は７００ｍＡであった。
【００２５】
図２（Ｂ）は、１３０Ｖのパルス電圧を印加し、間隙８を３μｍに設定した場合、前述同様の充・放電電流波形を示しているが、この時ピーク値が７５０ｍＡであり、１μｍの間隙減により充・放電電流のピーク値が増加したことを示している。また、間隙８が最適化されたことにより、グロー放電へと移行したことも示している。図２（Ｂ）では、放電電流制御用の負荷を大きくとったため、グロー放電からアーク放電への転移が示されていないが、放電電流制御用負荷を下げることにより、自続グロー放電が開始されてから１μｓ程度の範囲でグロー−アーク転移に基づく尖頭電流を伴い、アーク放電に移行する。なお、グロー放電は放電電流がおおよそ１０−４〜１０−１Ａの領域の自続的放電であり、アーク放電は放電電流が１０−１Ａ以上の領域における自続的放電である。
【００２６】
このように、電極７と被加工物６に間隙８を介して、パルス電圧を印加して放電を生起する液中放電表面処理装置において、放電開始あるいは再点弧後と終了後の間隙８を各放電周期毎に把握できることから、各周期における電極７の消耗に基づく間隙８の増加および被膜材料の被加工物６への堆積に基づく間隙８の減少に基づく間隙８の変化を実時間で検出できる。
【００２７】
つぎに、本実施の形態における液中放電表面処理装置において、対向する被加工物６と電極７との間隙８で生ずる充電電流あるいは放電電流と間隙８の関係から、間隙８を基準値として一定に維持する方法について説明する。間隙の調整は、まず、送り量に相当する信号を間隙制御部３から電極送り機構４に送信する。電極送り機構４は、サーボモータとパルスモータにより構成され、間隙制御部３から受信した信号に基づいて、５μｍを超える粗い電極送りにはサーボモータを用い、５μｍ未満の高精度で、且つ、高速の電極送りにはパルスモータによる電極送りを行うように構成されている。パルスモータによる電極送りは、毎秒１０，０００〜２０，０００パルス、１パルス当たりの移動量が０．１〜１μｍ程度のものを使用し、２０ＫＨｚ程度の放電パルス周波数における電極消耗速度にも追随できるように構成されている。
【００２８】
間隙８の基準値は、最初に間隙が０となる原点位置を決定した後設定される。まず、被加工物６と電極７間にパルス発生電源１により微小電圧を印加し、間隙−電極間電流・電圧検出部２により電流を監視しながら間隙制御部３を介してサーボモータにより電極７を被加工物６へ送り、電流を検出した時点でサーボモータを停止する。その後、間隙制御部３によりパルスモータを仕様の最小送り量で上下させ、電流値が最大になるＺ方向の位置を原点と定め、間隙制御部３に記憶する。
【００２９】
つぎに、図３を用いて、充電電流または放電電流に基づく電流ピーク値と間隙８とを関係づける換算データベースの作成手順について説明する。まず、放電電流制御用負荷の設定（パルス発生電源の設定、パルス電圧、パルス幅（デューティ比が設定）、周波数）を行う（ステップＳ１）。次に、被膜堆積中に変動が予測され、換算データベースとして必要と考えられる間隙８の距離Ｄの実測範囲（０≦Ｄ≦Ｄｅ）を間隙制御部３に設定する（ステップＳ２）。その後、前述の方法で、電極６を原点（Ｄ＝０）に調整し、パルスモータの送り量ｄ０（実測の送り精度となる）に相当する信号を間隙制御部３より電極送り機構４に送信し、間隙８をｄ０の位置に移動させる（ｎ＝１）（ステップＳ３）。つぎに、実際に放電表面処理を行う負荷を放電電流制御回路１０に用い、パルス電圧はパルス発生電源１により実際の被膜形成の放電条件で単発パルス電圧を発生させ（ステップＳ４）、そのとき検出された放電開始前の充電電流ピーク値Ｉｃｐあるいは放電電圧解除後の放電電流のピーク値Ｉｄｐを検出し、間隙制御部３に記憶する（ステップＳ５）。その後、直ちに、前述の方法により原点を求め、その送り量を間隙８の距離Ｄと放電電流のピーク値Ｉｄｐの関係、あるいは間隙ｄ０と充電電流のピーク値Ｉｃｐとの関係を作表する。次に、ｎの値を１増加させ、距離Ｄにｎとｄ０との積（ｎ・ｄ０）の値を設定する（ステップＳ６）。原点の設定（Ｄ＝０）から、充・放電電流Ｉｃｐ、Ｉｄｐの検出までの動作が、初期に設定した距離Ｄの実測範囲を超えるまで（ｎ・ｄ０＞Ｄｅ）繰り返される（ステップＳ７）。実測範囲のデータ収集が完了したら、パルスモータによる送り精度を満足すべく、間隙８の距離Ｄとピーク電流値Ｉｐ（ＩｃｐあるいはＩｄｐ）との近似式により補間データも取り込み、ルックアップテーブルとしての換算データベースが作られる（ステップＳ８）。
【００３０】
つぎに、間隙制御部３に記憶された換算データベースに基づき、充・放電電流のピーク電流値Ｉｐ（ＩｃｐまたはＩｄｐ）の検出により、間隙８の基準値からのズレに対して電極送り機構４により基準値までフィードバックをかける方法について、図４を用いて説明する。間隙−電極間電流電圧検出部２により充・放電電流のピーク電流値Ｉｐ（ＩｃｐまたはＩｄｐ）が検出され、間隙制御部３が、正極である被加工物６と負極である電極７による間隙８が被膜を堆積中に、放電再点弧直前の充電電流あるいはパルス電圧解除後に検出された放電電流のピーク値に基づき換算データベースにより換算された間隙が、設定された基準値からズレを生じた場合、その大きさがパルスモータによる最小移動量を超えていることを判定した後、間隙基準値に対して大小の比較を行い、その差が大きい場合は間隙８を差分だけ狭める方向に、また差が小さい場合は間隙８を差分だけ広げる方向に移動させるべく間隙制御部３から電極送り機構４に制御信号が発生される。この制御動作により、間隙８は常に基準値に修復される。
【００３１】
図４に示した破線は、間隙制御部３に構築された換算データベースに基づき、間隙の基準値Ｄ０、充・放電電流のピーク基準値Ｉ０に対し、検出された充・放電電流のピーク値Ｉ１、その間隙換算値Ｄ１が基準値Ｄ０より大きい場合は間隙を差分に応じた量だけ狭める方向に、また検出された充・放電電流のピーク値Ｉ２、その間隙換算値Ｄ２が間隙基準値Ｄ０より小さい場合は間隙Ｄ２を差分に応じた分だけ広げる方向に制御することを模式的に示したものである。
【００３２】
本実施の形態で得られた液中放電表面処理装置は、極めて高精度でリアルタイムに間隙を検出できるため、微小間隙放電を応用した該装置において、被膜の消耗と共に高速で変動する間隙に対してリアルタイムで追随でき、間隙の変動に伴う不安定放電を解消し、被加工物面上に形成される被膜の面粗さを抑制し、被膜内部に発生する鉱油等の不純物に基づく空隙を排除することができ、放電表面処理の後処理加工を不要にすることができる。
【００３３】
また、従来は被膜の堆積速度を上げると間隙の調節が追随できなくなり、放電が不安定になり、平滑な被膜が得られにくくなるため、パルス幅、デューティ比、アーク放電電流の最適化などに多くの労力を費やしていた。しかるに、本実施の形態で得られた放電表面処理装置は、リアルタイムに間隙を制御できるため、従来よりも容易に被膜の堆積速度をあげることができ、且つ平滑な被膜を堆積できる効果がある。
【００３４】
なお、本実施の形態では、換算データベースに電流値としてピーク電流値Ｉｐを用いたが、充・放電電流がピークに達するまでの所要時間の範囲であれば、所定の時間までの電流Ｉと間隙Ｄとの換算値を用いても同等の効果がえられる。また、本実施の形態では、絶縁性液体を用いたが、放電開始時間より短い時間で充電電流のピークに達するものであれば、例えば気体を用いても同等の効果がある。さらに、本実施の形態では（２）式における電圧Ｅｃを一定としたが、Ｉｐと同時刻のＥｃでＩｐを除した値と間隙とで得られる換算データベースを用いることにより、更に高い精度で間隙を制御することができる。
【００３５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２は、電極の消耗速度が速い場合にも有効な間隙制御方法であり、実施の形態１と同様の方法で検出される放電開始直前あるいは再点弧直前の充電電流の検出ピーク値および放電パルス電圧解除直後の放電電流の検出ピーク値の換算データベースに基づく間隙と基準値との比較を行い、間隙を基準値に維持すべく構成したものである。
【００３６】
本実施の形態におけるシステム構成は実施の形態１で用いた図１と同じであり、被加工物６と電極７に介在する間隙８の制御方法のみが異なるもので、その間隙の検出・制御方法について説明する。図５は、被膜の堆積過程における電流波形の模式図であり、放電開始前の充電電流における電流ピーク値Ｉｃｐ、グロー放電からアーク放電を経て放電停止（パルス電圧解除）後に発生する放電電流のピーク値Ｉｄｐの関係を示している。通常は、放電電流は電極粉末が分散した絶縁性液体を含む装置全体の構成による影響を受けるため、間隙が同じでも充電電流とは異なった波形を示す。従って、充電電流と放電電流とは別々の換算データベースを作成する必要がある。そこで、実施の形態１で示した方法で、充電電流のピーク値Ｉｃｐと間隙８の距離Ｄおよび放電電流のピーク値Ｉｄｐと間隙８の距離Ｄとの関係、Ｄ（Ｉｃｐ）およびＤ（Ｉｄｐ）を求める。
【００３７】
つぎに、このようにして得られた換算データベースを用いて、任意の時刻に放電パルス電圧が印加されたときの間隙制御手順について、図６を用いて説明する。図６において、換算データベースの作成までは実施の形態１と同じように実施した後（ステップＳ１１，Ｓ１２）、間隙８の基準値Ｄを設定する（ステップＳ１３）。基準値Ｄは、ルックアップテーブルでは充電電流Ｉｃｐｏと放電電流Ｉｄｐｏに対応している。これらの条件を設定した後、パルス電圧を印加し被膜の堆積を開始する（ステップＳ１４）。パルス電圧印加開始後、直ちに充電電流のピーク値Ｉｃｐｔおよび放電電流のピーク値Ｉｄｐｔの検出を開始し（ステップＳ１５）、基準値Ｄと比較を行い（ステップＳ１６，Ｓ１８）、その差が最小送り幅ｄ０より大きければ、その差をＤｃおよびＤｄとして記憶する（ステップＳ１７，Ｓ１９）。一方、ステップＳ１６およびＳ１８の比較の結果、その差が最小送り幅ｄ０より小さければ、ＤｃおよびＤｄに０を設定する（ステップＳ３０，Ｓ３１）。次に、ＤｃおよびＤｄの和を電極送り量ΔＤとして求め（ステップＳ２０）、間隙制御部３より電極送り機構４にΔＤに相当する移動信号が送信され、ΔＤがｄ０よりも大きければ、所定の間隙基準値Ｄに再調整される（ステップＳ３２）。ΔＤがｄ０よりも小さければ、ステップＳ１５の処理に戻る。これらの一連の動作を繰り返すことによって、間隙を常に一定に維持することができる。また、被膜の堆積終了の信号を受けて、パルス発生電源および全ての制御動作が終了する。
【００３８】
本実施の形態で得られた液中放電表面処理装置は、パルスモータの性能から数１０ｋＨｚまでであれば、パルス電圧の休止時間の間に１パルス毎に間隙を基準値に調整することができるため、電極の消耗速度が速い場合でも間隙の変化に追随し、極めて安定したグロー・アーク放電を実現でき、高速で、均質、平滑な被膜を提供できるため、放電表面処理の後処理加工を不要にすることができる。
【００３９】
なお、本実施の形態では、高速で動作するパルスモータを用いた間隙の送り機構について説明したが、間隙の換算は、任意のパルスの前後における充電電流のピーク値Ｉｃｐｔと放電電流のピーク値Ｉｄｐｔを検出して、両者を基準値と比較することにより間隙の基準値からのズレを補正する方式のため、応答速度がパルス電圧周波数より遅い電極送り機構でも、間隙を随時基準値に調整でき、高品質の被膜を堆積する効果がある。また、本実施の形態では、絶縁性液体を用いたが、放電開始時間より短い時間で充電電流のピークに達するものであれば、例えば気体を用いても同等の効果がある。さらに、本実施の形態では（２）式における電圧Ｅｃを一定としたが、前記電流ピーク値と同時刻のＥｃで前記電流ピーク値を除した値と間隙とで得られる換算データベースを用いることにより、更に高い精度で間隙を制御することができる。
【００４０】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３は、電極の消耗が遅く、また間隙の変化に対して放電が安定しにくい精密な間隙制御を必要とする場合に適した間隙制御方法を用いた液中放電表面処理装置に関するものであり、実施の形態１と同様の方法で検出される放電パルス電圧印加により生ずる放電開始直前あるいは再点弧直前の充電電流の検出ピークまでの時間積分値、あるいは放電パルス電圧解除直後に発生する放電電流の開始からピークまでの時間積分値の換算データベースに基づく間隙と（間隙の）基準値との比較により、間隙を基準値に維持すべく構成したものである。
【００４１】
本実施の形態における液中放電表面処理装置は、システム構成は実施の形態１で用いた図１と同じであり、制御方法も実施の形態２で用いた図６と同じであるが、対向する被加工物６と電極７に介在する間隙８と実測に基づく充・放電電流の時間積分値のルックアップテーブルである換算データベースの定義のみが異なるもので、ここで用いた換算データベースについて説明する。
【００４２】
換算データベースは、実施の形態１で用いた図３に従うもので、間隙Ｄに対する電流ピーク値の代わりに、充電電流の開始（放電パルス電圧印加）からピークまでの充電電流の時間積分値あるいは放電パルス電圧解除直後から発生する放電電流の開始からピークまでの時間積分値に置き換えたルックアップテーブルによるものである。この方法により任意の時間における放電パルス電圧で生じた充電電流のピークまでの時間積分値Ｑ（Ｉ１）あるいは放電電流のピークまでの時間積分値Ｑ（Ｉ１）は、実施の形態１で用いた図４と同様に基準値Ｑ（Ｉ０）との比較に基づき、間隙Ｄ１から基準値となる間隙Ｄ０へと修復、維持される。なお、図４では横軸に充・放電電流のピーク値Ｉｐを用いて説明したが、本実施の形態では、Ｉｐの代わりに電流の時間積分値である電荷Ｑ（Ｉｐ）で置き換えて説明した。
【００４３】
本実施の形態で得られた液中放電表面処理装置は、電流波形の微妙な変化も時間積分によって緩和できるため、間隙の変化を正確に換算することができ、且つ、間隙を常に高速で一定に維持できるので、間隙に対する安定放電領域の許容範囲が狭い放電電極材料にも適用でき、平滑性に優れた均質な被膜を堆積できるため、放電表面処理の後処理加工を不要にすることができる。
【００４４】
なお、本実施の形態では、充・放電電流のピークまでの時間積分値を被膜の堆積中に算出するように説明したが、被膜の堆積中における電流波形の変動が小さい場合は、充電電流のピーク値Ｉｃｐあるいは放電電流のピーク値Ｉｄｐを用いてＱ（Ｉｃｐ）あるいはＱ（Ｉｄｐ）から間隙Ｄ（Ｉｃｐ）あるいはＤ（Ｉｄｐ）を参照（電流のピーク値から電荷と間隙の関係を参照できるようにしたルックアップテーブル）しても同等の効果が得られる。また、本実施の形態では、絶縁性液体を用いたが、放電開始時間より短い時間で充電電流のピークに達するものであれば、例えば気体を用いても同等の効果がある。さらに、本実施の形態では（２）式における電圧Ｅｃを一定としたが、前記電流ピーク値と同時刻のＥｃで前記電流ピークまでの時間積分値を除した値と間隙とで得られる換算データベースを用いることにより、更に高い精度で間隙を制御することができる。
【００４５】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４は、電極消耗速度が速く、間隙の変動に対して放電が安定しにくいため、一層精密な間隙制御を必要とする場合に適した間隙制御方法を用いた液中放電表面処理装置に関するものであり、実施の形態３における放電パルス電圧解除直後に発生する放電電流のピーク値までの時間積分値を、前記放電電流を開始から終了までの時間積分値に置き換えた換算データベースを用いて、初期に設定した間隙の基準値と各放電パルス電圧の解除後に発生する放電電流の時間積分値から換算した間隙との比較を行い、間隙を基準値に維持すべく構成したものである。
【００４６】
本実施の形態におけるシステム構成および制御手順は実施の形態３と同じであるが、間隙と放電電流の時間積分値の関係を示す換算データベースのみ異なるもので、ここで用いた換算データベースについて説明する。
【００４７】
本実施の形態における換算データベースは、放電パルス解除後に発生する放電電流が、充電電流波形のように放電開始によるグロー放電に基づく電流の影響を受けないため、放電電流の全時間積分値を間隙とのルックアップテーブルとして利用したものである。また、前記放電電流は、放電終了後に生ずる放電の励起状態にある分子、原子および荷電粒子が基底状態に戻る時間（励起状態の寿命を意味し、基底状態に遷移するときに微小な電荷の発生を伴う）の影響を受けやすいため、放電電流の全時間積分を行うことで、蓄積電荷をより高精度で計測でき、間隙と電荷とのルックアップテーブルの精度を高めることができる。
【００４８】
換算データベースは、実施の形態１で用いた図３において、充・放電電流のピーク値Ｉｐに代えて、放電電流の全時間積分値Ｑを用いたルックアップテーブルを作成したものである。この方法により任意の時間において放電パルス電圧の解除後に生じた放電電流の全時間積分値Ｑ１（ルックアップテーブルから求めた間隙Ｄ１）は、実施の形態１で用いた図４と同様に間隙基準値Ｄ０に相当する電荷Ｑ０との比較に基づき、間隙Ｄ１から基準値となる間隙Ｄ０へと修復、維持される。なお、図４では横軸に充・放電電流のピーク値Ｉｐを用いて説明したが、本実施の形態では、Ｉｐの代わりに放電電流の全時間積分値である電荷Ｑで置き換えて説明した。
【００４９】
本実施の形態で得られた液中放電表面処理装置は、各放電パルスの印加によって生じた電極の消耗による間隙の変動を、放電パルス解除後に把握することができ、高速のパルスモータを用いた電極送り機構であれば、つぎの放電パルス電圧の印加までに間隙を基準値に修復することができるため、間隙を常に一定に維持することができ、間隙の変動の影響を受けやすい電極材料を用いた被膜の堆積においても、平滑性に優れた均質な被膜を堆積できるため、放電表面処理の後処理加工を不要にするといった効果がある。
【００５０】
なお、本実施の形態では、放電電流の全時間積分値を被膜の堆積中に算出するように説明したが、被膜の堆積中における電流波形の変動が小さい場合は、図３に示した方法で、前記電荷Ｑの代わりに放電電流のピーク値Ｉｐおよび放電電流の全時間との積を相当する電荷Ｑとして定め、この代替電荷Ｑと間隙Ｄとの関係をルックアップテーブルとして作成した換算データベースを用いても同等の効果が得られる。また、本実施の形態では、絶縁性液体を用いたが、放電開始時間より短い時間で充電電流のピークに達するものであれば、例えば気体を用いても同等の効果がある。さらに、本実施の形態では（２）式における電圧Ｅｃを一定としたが、放電電流の収束時間におけるＥｃで前記放電電流の前時間積分値を除した値と間隙とで得られる換算データベースを用いることにより、更に高い精度で間隙を制御することができる。
【００５１】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５は、電極消耗速度が速く、且つ放電が間隙の変動を受けやすい電極材料を用いた被膜の堆積に適した間隙制御方法を用いた液中放電表面処理装置に関するものであり、充電電流のピークまでの時間積分値および放電電流のピークまでの時間積分値を用いることによって、各放電パルス発生後直ちに高精度で間隙を換算し、リアルタイムで基準値に修復し、常に間隙を最適な状態に維持すべく構成したものである。
【００５２】
本実施の形態におけるシステム構成および主たる制御手順は実施の形態２と同じであるが、同一放電パルス電圧の印加により生ずる充電電流および放電電流のピーク値の代わりにピークまでの時間積分値を換算データベースに用いた点で異なるもので、ここで用いた換算データベースについて説明する。
【００５３】
本実施の形態における換算データベースは、実施の形態１で用いた図３の作成手順に従うものであるが、充・放電電流ピークＩｐ（Ｉｃｐ，Ｉｄｐ）の代わりに各々のピークまでの時間積分値Ｑｃｐ、およびＱｄｐを用いたルックアップテーブルを作成する。次に、図６に従い、間隙基準値Ｄ（充・放電電流の時間積分値に対してはＤ（Ｑｃｐ０），Ｄ（Ｑｄｐ０）である）を設定し、任意の時間ｔに印加した放電パルス電圧による充電電流および放電電流から得られた時間積分値ＱｃｐｔおよびＱｄｐｔに相当する間隙ＤｃｐｔおよびＤｄｐｔと各々の相当する基準値Ｄ（Ｄｃｐ０およびＤｄｐ０）との差を求め、その差の総和（間隙基準値とのズレ）がパルスモータの最小制御精度より大きければ、それに相当する電極送りを行い基準値に修復する。なお、基準値からのズレに対する電極の送り方向は、実施の形態１で示した図４に従うもので、間隙基準値（２Ｄ）よりも間隙換算値の総和（Ｄｃｐｔ＋Ｄｄｐｔ）が大きければ間隙を狭める方向に、また小さければ間隙を広げる方向に電極を送ることになる。
【００５４】
本実施の形態で得られた液中放電表面処理装置は、各放電パルス電圧の印加によって発生する放電開始または再点弧直前の充電電流の時間積分値および放電パルス電圧解除直後に発生する放電電流の時間積分値を間隙に高精度で換算して、放電による電極の消耗および被膜の堆積による間隙の変化をリアルタイムで監視し、間隙基準値に修復できるため、安定した放電を維持でき、平滑で均質な被膜を提供できるという効果がある。また、この方法によって得られた皮膜は、一様であるため応力歪もなく、機械的強度を必要とされる部品への表面処理に効果を発揮する。
【００５５】
なお、本実施の形態では、充・放電電流のピークまでの時間積分値を被膜の堆積中に算出するように説明したが、被膜の堆積中における電流波形の変動が小さい場合には、簡易的に、前記電流のピークまでの時間積分値の代わりに、前記電流のピーク値とピークまでの時間の積と間隙との関係をルックアップテーブルとして作成した換算データベースを用いても同等の効果が得られる。また、本実施の形態では、絶縁性液体を用いたが、放電開始時間より短い時間で充電電流のピークに達するものであれば、例えば気体を用いても同等の効果がある。さらに、本実施の形態では（２）式における電圧Ｅｃを一定としたが、前記電流の時間積分と同時刻におけるＥｃで前記電流の前時間積分値を除した値と間隙とで得られる換算データベースを用いることにより、更に高い精度で間隙を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】この発明の実施の形態１による液中放電表面処理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１による充・放電電流波形および間隙計測原理を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１による充・放電電流のピーク値と間隙との換算データベースの作成を説明したフローチャートである。
【図４】この発明の実施の形態１による実測した充放電電流のピーク値と換算した間隙との関係および間隙基準値からのズレを修復する方法を示した説明図である。
【図５】この発明の実施の形態２による被膜の堆積過程の電流波形を示した図である。
【図６】この発明の実施の形態２による実測した充・放電電流のピーク値から間隙を修復する手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００５７】
１  パルス発生電源、２  間隙―電極間電流・電圧検出部、３  間隙制御部、４  電極送り機構、５  位置・姿勢制御機構、６  被加工物、７  電極、８  間隙、９  加工油槽、１０  放電電流制御回路、１１−ａ  正極出力線、１１−ｃ  負極出力線、１２−ａ  放電電圧正極出力線、１２−ｃ  放電電圧負極出力線。
【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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