(57)【要約】【課題】加工開始時は、加工が不安定になり、加工時間がかかるばかりでなく、工具電極と被加工物が接触し工具電極が破損したり、加工が進行しなくなる。【解決手段】日よけ枠体４内に工具電極１と被加工物２とを配置する。工具電極１と被加工物２の間に放電加工液３を介在させる。紫外線照射装置として波長約２５３nmの紫外線ランプ５を配置し紫外線を照射する。紫外線の波長は、光電効果により陰極より電子が放出されるレベルより短い。【選択図】図１
2007301675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具電極と被加工物との間に放電加工液を介在させ電圧を印加するとともに工具電極と被加工物とで形成される加工間隙における前記工具電極または前記被加工物に光電効果により陰極より電子が放出される最長波長より短い所定の波長の紫外線を照射するようにした放電加工方法。
【請求項２】
前記紫外線の波長は次式で表される請求項１に記載の放電加工方法。
2007301675.tif 000007
ただし、hはプランク定数、eは電子の電荷、ｃは光の速度、Ｖは仕事関数である。
【請求項３】
工具電極と、前記工具電極に所定の加工間隙をもって放電加工液を介して対向配置される被加工物と、前記工具電極と前記被加工物とに接続される電源と、前記電源により前記加工間隙に電圧が印加されたとき前記加工間隙における前記工具電極または前記被加工物に光電効果により陰極より電子が放出される最長波長より短い所定の波長の紫外線を照射する紫外線照射装置と、を備えた放電加工装置。
【請求項４】
紫外線が陰極の金属に到達する距離に前記紫外線照射装置を配置したことを特徴とする請求項４に記載の放電加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工開始時に放電を発生しやすくし安定した加工を行なえるようにした放電加工方法および放電加工装置に関する。特に、微細加工において加工開始時の放電の安定性を高める放電加工方法および放電加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
新しい工具電極と被加工物とを対向配置させ放電加工を行なう加工開始時は、加工開始後しばらくの間、サーボが不安定で加工速度が上がらず、ある程度時間が経過すると順調に安定な加工を開始する現象が生じる（特許文献１参照）。特に、微細加工においては、この現象が顕著である。
【０００３】
微細加工において加工が不安定な原因として、放電を発生させやすくする加工屑、電子、プラズマが不足していること、工具電極と被加工物の表面が平坦で滑らかであるために表面電界の集中が起こりにくいことなどから、放電が発生しにくくなっていることが考えられる。
【０００４】
ここで、貫通穴側面仕上げ加工の実験を行なった。工具電極は、銅φ１０mmの円筒状で研削仕上げをしたもの、被加工物として、ＳＫＤ１１板厚６mmでφ９mmの下穴を設けたものを用い、工具電極を陰極、被加工物を陽極とする。放電制御としては、電圧を印加してから不特定の放電遅れ時間の後に放電の発生を検出してから一定のオン時間の電流を供給するようにして加工を行なう。
【０００５】
この結果、加工開始後およそ５分間加工が不安定になり、その後、加工が安定した。加工が不安定なときと、加工が安定したときときとの電圧波形および電流波形を比較すると、加工が不安定なときは、放電遅れ時間に大きなばらつきがあり、オン時間とオフ時間は一定に制御された値であるので、放電遅れ時間の大きなばらつき、とりわけ放電遅れ時間が極端に長いパルスがあることが加工を不安定にする要因になっていることがわかった。なお、一般の放電現象における研究において、ある条件下における気中放電で遅れ時間のばらつきは、紫外線を照射することで抑えられることが知られている（非特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特公昭５３−２１５５７号公報
【非特許文献１】仁田久美、東京大学博士学位論文「マイクロギャップの放電現象」２００４年１２月１６日、ｐ１９−２０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
加工開始時は、加工間隙に所定の電圧を印加してから放電が発生するまでの不特定の放電遅れ時間が数秒かかることがある。一般的な放電加工機では、サーボの応答周波数は数十Ｈｚであり、速度は毎秒数十〜数千μｍであって、加工間隙の平均電圧によりサーボ制御している。このため放電ギャップが数マイクロｍ程度の微細加工において、このように放電遅れ時間が数秒と極端に長い場合には、加工が不安定となり、加工時間がかかるばかりでなく、工具電極と被加工物が接触し工具電極が破損したり、加工が進行しなくなったりする。
【０００８】
本発明は、加工開始時に放電を発生しやすくし安定した加工を行なえ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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の放電加工方法は、工具電極と被加工物との間に放電加工液を介在させ電圧を印加するとともに工具電極と被加工物とで形成される加工間隙における前記工具電極または前記被加工物に光電効果により陰極より電子が放出される最長波長よりも短い所定の波長の紫外線を照射するようにする。
【００１０】
特に、上記紫外線の波長は次式で表される。
2007301675.tif 000003
ただし、hはプランク定数、eは電子の電荷、ｃは光の速度、Ｖは仕事関数である。
【００１１】
本発明の放電加工装置は、工具電極と、前記工具電極に所定の加工間隙をもって放電加工液を介して対向配置される被加工物と、前記工具電極と前記被加工物とに接続される電源と、前記電源により前記加工間隙に電圧が印加されたとき前記加工間隙における前記工具電極または前記被加工物に光電効果により陰極より電子が放出される最長波長より短い所定の波長の紫外線を照射する紫外線照射装置と、を備える。
【００１２】
特に、紫外線が陰極の金属に到達する距離に紫外線照射装置を配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
紫外線照射により初期電子を供給することによって、加工開始時に放電が発生しやすくなり、放電遅れ時間を短くすることができるので、より安定した加工を行なうようにすることができる。その結果、特に微細加工において、工具電極が破損したり、加工が進行しなくなることがなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
一般に、紫外線を照射させることにより電子放出が発生する、いわゆる光電効果があることが知られている。加工間隙に電圧を印加してから放電が発生して加工間隙に電流が流れるまでの不特定の放電遅れ時間は、初期電子が生成されるまでの“統計遅れ”と、電子なだれが生じ全路破壊に至るまでの“形成遅れ”に分けて考えることができる。
【００１５】
本発明は、光電効果を利用して、陰極の金属に紫外線を強制的に照射することにより電子放出を発生させ、放電のための初期電子を生成して供給し、放電を発生しやすくする。そのため、初期電子が生成されるまでの統計遅れが短くなって放電の遅れ時間を短くするものである。放電遅れ時間が短くなることによって、加工開始時において加工が安定する。
【００１６】
図１に、放電遅れ時間が陰極への紫外線照射により短くなる具体的な測定例を示す。工具電極１と被加工物２との間に放電加工液３を介在させ電圧を印加するとともに工具電極と被加工物とで形成される加工間隙において工具電極１または被加工物２に光電効果により陰極より電子が放出されるレベルより短い所定の波長の紫外線を強制的に照射して、放電のための初期電子を生成して供給する。
【００１７】
図１は、日よけ枠体４内に工具電極（陽極）１と被加工物（陰極）２とを配置し、工具電極１と被加工物２の間に油系放電加工液３を介在させる。紫外線光源として波長約２５３nmの紫外線ランプ５を配置し被加工物２に紫外線を照射する。紫外線照射光源として、紫外線ランプ５に代えて光ファイバを用いることができ、紫外線照射光源を加工間隙に近接した放電加工液中に配置することができる。
【００１８】
図２はそのときの放電加工回路である。一定時間の電流が流れたら出力を自動的に停止する電源装置１０と工具電極１との間にスイッチングトランジスタ５０を配置した。このスイッチングトランジスタ５０がオフの状態で電源装置１０の作動開始を行ない、その後スイッチングトランジスタ５０をオンすることにより工具電極１と被加工物２との間で単発放電を発生させる。なお、符号７０はオシロスコープである。
【００１９】
図１において、先端Ｒ０．１ｍｍ角度５０°に研削仕上げした円錐状の銅タングステン製工具電極（陽極）１と面粗さ３ｎｍＲｚにラップ仕上げした平板状のＳＫＤ１１製被加工物（陰極）２とをギャップを一定に保った状態で電圧を印加して、被加工物２に紫外線を照射したときの放電遅れ時間に及ぼす影響を調べた。
【００２０】
このとき、紫外線の照射と非照射の比較の信頼性を高めるため、紫外線照射、非照射による単発放電を交互に５０回繰り返し、ラウエプロット法によって比較した。
【００２１】
ここで、ラウエプロット法とは、電極間に時間ｔ＝０で電圧Ｖを加えたとき、Ｎ回の試行で時間ｔまでに破壊しないものの回数ｎとＮとの関係から、放電遅れ時間を初期電子が生成されるまでの統計遅れ時間Ｔｓと電子なだれが生じ全路破壊に至るまでの形成遅れ時間Ｔｆに分離する方法であり、数１で表される関係式を用いる。
【００２２】
【数１】
2007301675.tif 000004
ここで、Ｔｓａｖは、統計遅れ時間Ｔｓの平均値である。数１からわかるように、ｌｏｇ（ｎ／Ｎ）とｔとの関係は直線であり、その傾きがＴｓａｖ、ｎ／Ｎ＝１におけるｔの値が形成遅れ時間Ｔｆである。
【００２３】
照射開始のタイミングは、接触感知動作終了後の電圧印加直前とした。このため紫外線の照射時間は１０秒以下である。紫外線による熱変位がギャップに及ぼす影響を調べたが、紫外線の照射後にも接触感知動作による位置決め精度はほとんど変化していない。
【００２４】
図３に紫外線照射によるラウエプロットを示す。放電遅れ時間が１００ｍｓｅｃと極端に長いデータは、紫外線を照射しない場合には、約２０％であるのに対し紫外線を照射した場合は数％である。したがって、紫外線を照射することにより光電子が発生し極間に初期電子が現れる確立が高くなることによって統計遅れ時間が短くなっている。
【００２５】
光電効果で初期電子を生成するためには、紫外線の波長が光電効果により陰極より電子が放出されるレベルより短いことが必要である。この波長より長い紫外線をどれだけ強く照射しても電子の放出はない。この波長は、数２で表される。
【００２６】
【数２】
2007301675.tif 000005
ただし、hはプランク定数（６．６２６×１０−３４Ｊ・Ｓ）、eは電子の電荷（１．６０２×１０−１９Ｃ）、ｃは光の速度（２．９９７９×１０８ｍ／ｓ）、Ｖは仕事関数である。
【００２７】
一般的に放電加工に用いられる工具電極と被加工物の仕事関数と電子放出のための最長波長の計算結果を図４に示す。なお、仕事関数が小さいと電子を放出しやすく、２次電子放出による放電の形成が速いことや放電が発生するための初期電子が放出しやすくなることで、放電遅れ時間が短くなる。
【００２８】
また、放電加工液が光を透過する必要がある。図５に、ある油系放電加工液の紫外線波長による透過率測定結果が示される。透過率の測定は、加工液層（深さ）５mmと１mmで行なっている。
【００２９】
ブーゲ・ベールの法則によると入射光の強さＩ０と透過光の強さＩ、溶液層の厚さ（深さ）ｂとの関係式は数３で示される。
【００３０】
【数３】
2007301675.tif 000006
【００３１】
数３と図５結果によって図６示す深さに対する透過率の関係が得られる。その結果、上記油系放電加工液の場合、例えば、波長２５０ｎｍで放電加工液の深さ３ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の条件で紫外線が陰極の金属に到達し、光電子が放出される。このように、一般の放電加工で用いられる油系放電加工液を加工媒体とする場合は、紫外線が陰極の金属に到達する距離に紫外線照射光源を配置する。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、放電加工に利用される。特に、微細加工において加工開始時の放電の安定性を高めることができる。本発明は、微細加工における加工の可能性を広げる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す回路図である。
【図３】本発明と従来の放電遅れ時間の割合を示すラウエプロット図である。
【図４】材料に対する仕事関数と電子放出のための最長波長の計算結果を示す図である。
【図５】ある油系放電加工液の紫外線波長による透過率測定結果を示すグラフである。
【図６】図５に示す放電加工液における深さに対する透過率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  工具電極
２  被加工物
３  放電加工液
４  日よけ枠体
５  紫外線ランプ
【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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