JP2006082192A - 放電加工装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
セラミックスなどの高抵抗率材料を切断加工できる装置及び方法の提供。
【解決手段】
加工対象のサンプル１０１に取り付けられた電極１０３と、ワイヤー１０２と、光源１０４を備え、電極とワイヤーの間の前記サンプルの領域に前記光源から光を照射し、前記領域を加工する。
【選択図】
図８

Description

本発明は、放電加工装置と方法に関する。

図１は、従来の彫塑放電加工機の構成を模式的に示す図である。彫塑放電加工機は金属表面に型を掘るために用いられる。パルス形の電源に型が掘られている電極が接続され、加工液１３の中に加工物１１と電極１２が設置され、加工物１１と電極１２の間で放電が生じて加工を行う。電極１２がサーボメカニズム１５によって移動し、加工を行う。加工液１３は加工物１１と電極１２の間の電気絶縁を行う必要があり、電気抵抗率が高い方が良いとされているが、放電が生じる必要もある。

図２は、従来のワイヤー放電加工機の構成を示す図である。ワイヤー放電加工機は、切断に用いられる。図１で電極に対応するのはワイヤー２２である。加工サンプル２１が移動して、切断を行う。

図１、図２に示した放電加工機において、サンプルは、加工液（水）の中に設置されており、サンプルとワイヤーが電気的に接するとその間には放電が生じないので、通常０．１〜０．２ｍｍ程度で電気絶縁がとられ、その間で放電が生じるように条件を設定している。そして、ワイヤーは放電中一定の速度で送り出され、新しいワイヤー部分がサンプルとの間で放電が生じるようになっている。図１、図２では、パルス電源１４、２４を用いているが、直流電源を用いる装置もある。

放電加工の原理を概説しておく。ワイヤーとサンプルの間で放電が生じると、サンプルを構成している元素がプラズマ化して蒸発もしくは溶融する。このプロセスを効果的に行うためには、電子がワイヤー側からサンプル側に流れることが望ましい。通常、サンプル側の電位は正極となる。これにより、サンプル側が主に電子の衝突による損傷を受けてプラズマが発生するためである。サンプルを構成する元素の微粒子は、最終的に、加工液の中に取り込まれ、微粒子を加工液が取り除いていくため切断が進む。サンプルに電流が流れることが出来れば、どんな材料でも、任意の形に切ることが出来る。

図３は、放電加工機の非加工時の電流電圧データの一例を示す図である。オシロスコープの画面のコピーであり、時間軸は５μｓ／ｄｉｖであり、電圧縦軸は５０Ｖ／ｄｉｖ、電流縦軸は５Ａ／ｄｉｖである。したがって、サンプル側には＋１５０Ｖ／−７５Ｖの電圧が印加され、パルス幅＝２０μｓ（＋１５０Ｖ時）となっている。非加工時ではあるが、装置には、浮遊キャパシタンスがあるため、放電電流以外にキャパシタンスに充電する電流が流れ、パルス電流が流れる。これは加工には関係しない。浮遊キャパシタンスは０．２５μＦ程度と推測される。浮遊キャパシタンスによって加工に関係しない電流が流れるため、この値は低い方が良い。高い周波数と電圧を利用する場合には、電源コストの増大につながり、大きな問題になる。サンプル側に負電圧が印加されるのは、サンプルの表面加工精度や表面精度などから要請されるためである。

図４は、放電加工機の等価回路である。サンプル全体が水中に設置されていないと、図４の「水」の抵抗部分がなくなり、リーク電流が減少する。通常は、金属などの電気に対して良導体の加工を主に行うため、このリーク電流は無視できる。しかし、セラミックスなどの電気抵抗率の大きな材料を切断しようとする時には大きな問題になる。それは、サンプルの抵抗が大きくなるので、サンプル−ワイヤー放電部の抵抗が「水」の部分の抵抗に対して大きくなると、リーク電流の方が大きくなるので、放電が生じなくなる。これは、放電を行うためにはギャップ部での電圧が高い必要があるが、それが印加できなくなるからである。

電気抵抗率の異なるシリコンカーバイト／炭化珪素（ＳｉＣ）を放電加工機で切断実験を行ったところ、電気抵抗率が大となるにしたがって切断が困難になり、高い電圧を印加しても、水の抵抗率の低い場合には切れなくなった。そこで、水質を管理して高純度水（電気抵抗率は１０ｋΩｍ程度）を用意したところ切断が可能になった。

実験では、水の電気抵抗率がサンプルの抵抗率の２０倍程度有れば切ることが可能であった。しかしながら、高純度水を大量に用意することは、コスト的に問題であるため、サンプルの切断を行うワイヤーとサンプルの間にだけ高純度水をかけることを試みたところ、同様に切断が出来た。

但し、電気抵抗の大きなサンプルに電流が流れるため、ジュール発熱が大きくなり数十℃まで加熱されたが、セラミックス材料は高温に対して強いので、これは大きな問題にはならなかった。

しかしながら、より高い抵抗率のＳｉＣについては、同様な方法では切断が出来なかった。放電加工機ではサンプルを力学的に固定する治具が同時に電極となり、サンプルに電流を流す治具となっている。したがって、ワイヤーと取り付け器具の間が長くなりやすい。すると、サンプルの抵抗が大きくなり、ギャップに印加できる電圧が下がり、放電が不安定になったり放電が発生しなくなった。そこで、サンプルを固定する治具とは別にサンプルに電気を供給する電極をワイヤー付近に設置して放電加工を行うようにした。

これによって、放電加工が出来る範囲が広がるが、範囲の拡大はさほど大きくない。その理由は、サンプルとワイヤー間の抵抗は主にワイヤー近傍で決まる。図５を用いて説明する。電極から流れ出た電流は、最終的にはワイヤーに流れ込む（電子の流れは逆）。一方、ワイヤー径は０．２ｍｍ程度であり、ワイヤーとサンプルの間のギャップを入れると、電流は、０．３ｍｍ程度に集中する。したがって、図４のサンプル抵抗の大部分は、この部分で決まるため、少々、電極をワイヤー近傍に設置しても、電気抵抗は大きく下がらない。このため、ＳｉＣの電気抵抗率が１ｋΩｍを超すと、汎用の放電加工機（電圧は１５０Ｖ）では切断がかなり困難になった。

ＳｉＣは、優れた特性を半導体材料として生かすために開発が進んでいて、純度の高い単結晶サンプルが作れるようになってきた。ＳｉＣは硬く、加工するためには切断技術の開発が同時に行われている。初期の不純物の多いＳｉＣでは放電加工が行われたが、より純度の高いＳｉＣでは、電気抵抗率が高くなるため、放電加工は行われなくなり、ダイヤモンドソーを利用した切断が主な方法となっている。半導体材料として高純度のＳｉＣでは電気抵抗率が高いことから、放電加工は困難になると思われる。

シリコンでは高純度の単結晶が作られていて、これらの電気抵抗率は１００ｋΩｍを越えている。シリコン単結晶の切断も、ダイヤモンドソーが利用されている。ダイヤモンドソーに比べて放電加工はコストも安く非直線的にも切断できるので、もし放電加工が出来れば極めて良い切断方法と言える。

電気が流れることが出来れば放電加工が出るため、ダイヤモンド、サファイア、ガラス等の絶縁物に高い電圧を印加して放電加工を行った例が報告されている。例えば、非特許文献１に記載されている例では、ダイヤモンドに穴あけ加工するために、ネオン・トランスを用いて１２ｋＶの電圧を印加している。

絶縁性セラミックの放電加工のための導電性付与に関して、特許文献１には、レーザ等の高密度エネルギーを照射することで、構成元素の一部が分解、昇華するセラミックスに、レーザを非酸化性雰囲気中で照射することにより導電性を付する方法が開示されており、窒化珪素の表層にレーザを用いて非酸化性雰囲気下で３ｋＪ／ｃｍ^２以上の熱量を付与することにより導電性変質層を形成した後、各種加工を行いながら、導電性変質層を伸展し、所定の形状に加工する加工方法が開示されている。

また、ファインセラミックスの焼結素材に対し、複合放電加工またはレーザ加工による一度溶解して再凝固した変質層を、超音波振動により容易に破砕し平滑化する、ファインセラミックスの複合加工法が開示されている（特許文献２）。

特開平５−２０８３２３号公報 特開昭６２−３４７２７号公報 鳳誠三郎他著、「改訂 放電加工」コロナ社、昭和36年4月発行

しかしながら、最近の放電加工機ではせいぜい３００Ｖ迄しか印加されていない。これは高い電圧を利用することによって作業者の感電事故や火災を避けるために行われたと思われる。高電圧を利用するにしても、せいぜい３００Ｖの１０倍から２０倍程度が限度と思われる。特に、パルス電源を利用する場合には極めて電源が高価になると思われる。

高純度のＳｉＣが開発されたときには放電加工は出来なくなる。

したがって、本発明の目的は、セラミックスなどの高抵抗率材料を切断加工できる装置及び方法を提供することにある。

本願で開示される発明は、前記目的を達成するため、概略以下の構成とされる。

本発明の１つのアスペクト（側面）に係る装置は、加工対象のサンプルに取り付けられた電極と、ワイヤーと、光源と、を備え、前記電極と前記ワイヤーの間の前記サンプルの領域に前記光源から光を照射し、前記サンプルの領域の電気抵抗率を低下させて放電加工する。

本発明において、前記光源から光を、前記サンプルの放電加工部に対して一の側から、又は、相対する両側から、照射する構成としてもよい。

本発明において、前記サンプルは、前記光を透過する加工液に含浸されている構成としてもよい。

本発明において、前記サンプルの一側から相対的に低温のガスを相対的に高い圧で供給して電気的絶縁をとり、前記サンプルの一側から前記ガスを排出する、構成としてもよい。

本発明において、前記電極の位置の移動が制御され、前記ワイヤーと前記電極の相対的な位置関係が一定に保持される構成としてもよい。

本発明において、電極内部に光を導波する光導波路を備えた構成としてもよい。

本発明において、前記ワイヤーの裏から、光を照射する、構成としてもよい。

本発明において、複数の波長の光を前記サンプルに照射する、構成としてもよい。

本発明の別のアスペクトに係る方法は、加工対象のサンプルに取り付けられた電極と、ワイヤーとの間のサンプルの領域に前記光源から光を照射する工程と、
前記サンプルの領域を放電加工する工程と、を含む。

本発明によれば、ＳｉＣ等の絶縁性のサンプルに光を照射することで、電気抵抗率を下げ、放電加工可能としている。

本発明の一実施形態の装置は、電極とワイヤーの間のサンプルの加工領域に光源から光を照射し、領域を放電加工するものである。はじめに本発明の原理を説明する。

半導体や絶縁物のバンド構造は、図６に示すように、バレンス・バンドと伝導バンドの間にエネルギーギャップがあり、ＳｉＣでは、このバンドギャップは２．１ｅＶ以上とされている。理論的には絶対０度で３ｅＶとされている。電子はバレンス・バンド側に存在し、伝導バンドにはほとんど存在しないため、電気伝導率が極めて低くなる。絶対０度では、フェルミエネルギーはバンドギャップの真ん中に存在し、電子分布はフェルミ分布により、バンドギャップと温度などの関数である。絶縁物は大きなバンドギャップを持ち、半導体は、小さなギャップをもつ。温度が高くなると、電子の熱運動によって一部の電子が伝導バンドにも存在し、自由電子として運動し、電気伝導性が生じる。電子の密度はフェルミ分布によって決まり、高い温度でギャップが小さいと伝導バンドの電子密度は増大し、電気抵抗率は減少する。通常の金属の抵抗率の温度依存性とは反対であり、半導体／絶縁物を分ける基準である。

高純度ＳｉＣの電気伝導性を高めるためには、温度を上げればよい。バンドギャップが２ｅＶ以上あるため、極めて高温にならないと、十分に電気伝導性は高くすることが出来ず、放電加工を行うことができない。

従来より、半導体のバンド構造を利用して、光や放射線の検出器が作られているが、放射線などの高エネルギー量子が、半導体／絶縁物材料に当たると、バレンス・バンド電子が励起されて伝導バンドに移り、電気伝導性が発生し、電圧を印加しておくと、電流が流れることを利用して、放射線や光の検出に使う原理である。図７は、光電効果によって励起される例を示す図である。バンドギャップ以上のエネルギーを持つ光が光電効果によって吸収されるプロセスは、電子が光からエネルギーをもらって伝導帯に励起される。電子はその後、エネルギーを失って、最終的には、元のバレンス・バンドに落ちるのであるが、伝導帯にいる間は電気伝導率が高くなる（＝電気抵抗率は下がる）。セラミックスなどの高抵抗率材料の電気抵抗率を下げるには、バンドギャップ以上のエネルギーを持った光を照射し続ければ良いことになる。

図８は、本発明の一実施例の放電加工装置の構成を示す図である。サンプル１０１に取り付けられた電極１０３とワイヤー１０２の間を、光源１０４からの光（もしくは放射線）で照射する。すると、電極１０３とワイヤー１０２の間のサンプル１０１の電気抵抗率は、低下するので、電圧を印加すると、サンプル１０１の光照射部分には、電流が流れる。

ＳｉＣの場合には、バンドギャップ＞２．１ｅＶとされているので、照射する光の波長は、５９０．４ｎｍ以下で有ればよい。理論値である３．０３ｅＶであれば、４０９．２ｎｍ以下となる。これは、可視光から紫外線の領域であり、レーザ技術では、十分に、この領域のレーザ発振が可能になっている。したがって、このような領域のレーザを利用すれば、電気伝導性を確保することが出来る。高抵抗ＳｉＣ（１００ｋΩｍ以上の抵抗率）に小型の数Ｗの紫外線放電ランプ（紫外線の領域では、１０ｍＷ程度の出力と思われる）を用いて紫外線を照射すると、電気抵抗が１０％以下になることが実験的に確認されている。レーザを利用すると、放電加工が出来る程度までサンプル１０１の電気抵抗を下げることが可能となる。これは、可視光では、それほどおおきな効果は期待できない。

本発明は、ＳｉＣだけに制限されるものでなく、任意の絶縁物に対しても利用可能であり、半導体／絶縁物の放電加工に適用できる。レーザ照射によってサンプル１０１の温度が上昇するが、セラミックス系の材料は耐熱性を有し、影響はない。適宜、サンプル１０１を冷却すれば良い。

光は、サンプル１０１の一方から照射するのでなく、サンプル１０１の両側から照射してもよい。放電加工は、加工液として油や水が利用されるが、これらが紫外線領域で吸収が大きいと、サンプルまで光が到達しない。照射する光が、透過できる加工液が利用される。水や油は紫外線領域で吸収が大きいため、加工液の代わりにガスが用いられる。低温のガスを高圧で吹き付ければ、ワイヤーとサンプルの電気絶縁が確保され、サンプルの冷却もできる。

図９は、本発明の別の実施例として、加工液のかわりに、低温のガスを用いた例を示す図である。サンプル２０１の上部側に設けられ、ワイヤー２０２が中心軸を貫通する中空の上部容器２０４と、サンプル２０１の下部側に設けられ、ワイヤー２０２が中心軸を貫通する中空の下部容器２０５とを備え、サンプルを固定するサンプル固定具２０６を備え、上部容器２０４の側面には、低温ガスを導入する導入部２０７を備え、下部容器２０５の側面には排出口２０８を備え、低温ガスがポンプで吸引される。

光を照射する部分は、図８に示すように、電極２０３とワイヤー２０２の間であるが、切断によってワイヤー２０２の位置は移動し、光の照射位置も変える必要がある。電極２０３は可動とされ、ワイヤー２０２と電極２０３の相対的な位置関係は一定とされ、照射位置の制御がより簡単になる。

彫塑放電加工機の場合には、電極内部に光を導くライトガイドを埋め込んで、放電部を照射する。

厚手のサンプルを加工する場合には、ワイヤーの裏側から光を照射してもよい。複数のレーザを備え、複数の波長で照射する構成としてもよい。これは、バンドの光の吸収特性による。すなわち、エネルギーキャップ中に不純物などによるエネルギー準位が複数あるからである。

以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ限定されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

従来の放電加工機の構成を模式的に示す図である。 従来の放電加工機の構成を模式的に示す図である。 放電加工機の非加工時の電流電圧データを示す図である。 放電加工機の等価回路を示す図である。 電極、ワイヤーおよび電流が集中するモデルを示す図である。 ＳｉＣのバンド構造を示す図である。 光電効果を説明する図である。 本発明の一実施例の構成を示す図である。 本発明の一実施例の構成を示す図である。

符号の説明

１１ サンプル
１２ 電極
１３ 加工液
１４ 高周波パルス電源
１５ サーボ機構
１６ 容器
２１ サンプル
２２ ワイヤー
２３ 水中電極
２４ パルス電源
２５ 放電部
１０１ サンプル
１０２ ワイヤー
１０３ 電極
１０４ 光源
１０５ 放電部
２０１ サンプル
２０２ ワイヤー
２０３ 電極
２０４ 上部容器
２０５ 下部容器
２０６ 固定具
２０７ 導入口
２０８ 排出口

Claims (24)

1. 光源を備え、サンプルの加工領域に、前記光源から光を照射し、前記加工領域を放電加工する、ことを特徴とする放電加工装置。
2. 加工対象のサンプルに取り付けられた電極と、
   ワイヤーと、を備え、
   前記電極と前記ワイヤーの間の前記サンプルの領域に、前記光源から光を照射し、前記サンプルの領域の電気抵抗率を低下させて放電加工する、ことを特徴とする請求項１記載の放電加工装置。
3. 前記光源から光を、前記サンプルの加工領域に対して一の側から、又は、相対する両側から、照射する、ことを特徴とする請求項１又は２記載の放電加工装置。
4. 照射する量子のエネルギーは、前記サンプルのバンドギャップエネルギーよりも高いことを特徴とする請求項２記載の放電加工装置。
5. 前記サンプルは、前記光を透過する加工液に含浸されている、ことを特徴とする請求項１又は２記載の放電加工装置。
6. 前記サンプルの一側から相対的に低温のガスを相対的に高い圧で供給して電気的絶縁をとり、前記サンプルの一側から前記ガスを吸引する、ことを特徴とする請求項１又は２記載の放電加工装置。
7. 前記低温ガスは、前記光を透過するものである、ことを特徴とする請求項６記載の放電加工装置。
8. 電極の位置の移動が制御され、前記ワイヤーと前記電極の相対的な位置関係が一定に保持される、ことを特徴とする請求項２記載の放電加工装置。
9. 請求項１記載の放電加工装置が、彫塑放電加工装置よりなり、電極内部に光を導波する光導波路を備えている、ことを特徴とする放電加工装置。
10. 前記ワイヤーの裏から、光を照射する、ことを特徴とする請求項２記載の放電加工装置。
11. 複数の波長の光を前記サンプルに照射する、ことを特徴とする請求項１又は２記載の放電加工装置。
12. 前記光がレーザ光である、ことを特徴とする請求項１又は２記載の放電加工装置。
13. サンプルの加工領域に光源から光を照射する工程と、
    前記加工領域を放電加工する工程と、を含む、ことを特徴とする加工方法。
14. 加工対象のサンプルに取り付けられた電極と、ワイヤーとの間のサンプルの領域に前記光源から光を照射する工程と、
    前記サンプルの領域を放電加工する工程と、
    を含む、ことを特徴とする加工方法。
15. 前記光源から光を、前記サンプルの放電加工部に対して一の側から、又は、相対する両側から、照射することを特徴とする請求項１３又は１４記載の加工方法。
16. 照射する量子のエネルギーは、前記サンプルのバンドギャップエネルギーよりも高いことを特徴とする請求項１５記載の加工方法。
17. 前記サンプルは、前記光を透過する加工液に含浸されている、ことを特徴とする請求項１３又は１４記載の加工方法。
18. 前記サンプルの一側から相対的に低温のガスを相対的に高い圧で供給して電気的絶縁をとり、前記サンプルの一側から前記ガスを吸引する、ことを特徴とする請求項１３又は１４記載の加工方法。
19. 前記低温ガスは、前記光を透過するものである、ことを特徴とする請求項１８記載の加工方法。
20. 前記電極の位置の移動が制御され、前記ワイヤーと前記電極の相対的な位置関係が一定に保持される、ことを特徴とする請求項１４記載の加工方法。
21. 請求項１３記載の放電加工装置が、彫塑放電加工装置よりなり、
    電極内部に光を導波する光導波路を設けた、ことを特徴とする加工方法。
22. 前記ワイヤーの裏から、光を照射する、ことを特徴とする請求項１４記載の加工方法。
23. 複数の波長の光を前記サンプルに照射する、ことを特徴とする請求項１３又は１４記載の加工方法。
24. 前記光がレーザ光である、ことを特徴とする請求項１３又は１４記載の加工方法。
    

Images