放電被覆装置及び放電被覆加工方法
【課題】所望厚さの被膜を形成する。
【解決手段】直流電源装置１がその一次巻線２に接続されるフライバック変圧器と、フライバック変圧器と直流電源装置に接続される第１半導体スイッチング素子４と、二次巻線３に接続されるダイオード５と、ダイオードに接続するコンデンサ６及び第２半導体スイッチング素子７と、第２半導体スイッチング素子に接続され、回転手段９に連結されて回転駆動する被覆材電極１０と、コンデンサの他端に接続され、また被覆材電極に接触することで電気的に導通する被金属加工体１１と、第１半導体スイッチング素子、コンデンサ、第２半導体スイッチング素子に制御パルスを印加する制御装置１２と、を備える。コンデンサの電圧と所定値とを比較して第１半導体スイッチング素子に対してオン・オフ制御を行い、また第２半導体スイッチング素子に対する印加動作制御をパルス信号の印加終了後に行うことで、火花放電被覆を実現する。
【解決手段】直流電源装置１がその一次巻線２に接続されるフライバック変圧器と、フライバック変圧器と直流電源装置に接続される第１半導体スイッチング素子４と、二次巻線３に接続されるダイオード５と、ダイオードに接続するコンデンサ６及び第２半導体スイッチング素子７と、第２半導体スイッチング素子に接続され、回転手段９に連結されて回転駆動する被覆材電極１０と、コンデンサの他端に接続され、また被覆材電極に接触することで電気的に導通する被金属加工体１１と、第１半導体スイッチング素子、コンデンサ、第２半導体スイッチング素子に制御パルスを印加する制御装置１２と、を備える。コンデンサの電圧と所定値とを比較して第１半導体スイッチング素子に対してオン・オフ制御を行い、また第２半導体スイッチング素子に対する印加動作制御をパルス信号の印加終了後に行うことで、火花放電被覆を実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放電被覆装置に関し、特に信頼性が高く、小型であり、所望厚さの皮膜を対象物表面に形成しうる放電被覆装置に関する。また、これを用いた放電被覆加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な鋼材製の金型や加工用工具においては、連続製造・加工による摩滅や欠け、またその表面に設けられている硬質皮膜の剥離などが生じることがある。これらが発生すると、成形品における精度が低下してしまったり、形状品質を保つことができなくなり、製造歩留まりに影響を及ぼす。また、ある種の金型においては、成形時に金型と成形品との間が真空状態となってしまうため、離型時に成形品がいずれかの金型に引きずられてしまい成形不良を起こすことがある。また加工用工具においては、剥離箇所における摩耗が著しくなってしまい、この部分における加工精度の低下やまた工具自身の破損につながることがある。
【０００３】
こうした場合に、同種あるいは別種の鋼材を被覆材として用い、摩滅部分、欠け部分、また剥離部分に被膜を作ることで当該箇所に材料を充填することができる。具体的には例えば、被覆材を電極として用い、被覆材電極と金型などの被加工材との間に所定の電圧を印加することで、被覆材が蒸着などにより被加工材表面に被膜をつくり、その欠落箇所や剥離箇所を埋める。これを適宜成形（研磨など）することで補修を行うことができる。また同様の構成により、金型などの母材の所定箇所に粗面化部分を設けることができ、これにより型抜き時に金型と成形品との間に所定の抵抗を付与することができ、スムーズな離型を行うことができる。
【０００４】
また、プレス打ち抜き加工に際して、プレス後の廃棄部分（いわゆる抜きかす）がプレス打ち抜き型のダイ側面に付着してしまい、さらにパンチの上昇移動に伴い抜きかすが一緒に浮き上がってしまい、次回の加工の妨げになってしまうことがあった。加工の高速化に伴い、このような現象は著しくなり、生産性にも影響してしまうこととなる。また、プレス材料が薄くなる場合にも、この現象が起きやすく、これも問題となっていた。これに対して、当該ダイ側面に所定の被覆を行うことで適度な凸面を形成し、これにより上記現象を解消していた。しかし依然としてこの種の被覆を所望の厚みで簡単に形成することが望まれている。
【０００５】
この種の被覆方法、被覆装置はこれまでも様々な機構が開発されている。
例えば特許文献１に記載の放電被覆方法によれば、被覆材電極を振動または回転させて接触開離させるとともに所定電流密度でパルス放電させることにより、所望の被覆加工速度を高め生産性向上を図っている。
【０００６】
また、特許文献２に記載の放電被覆加工装置は、被覆材電極を振動装置によって接触開離もしくは摺動運動させながら単位パルス列を含むパルスを振動装置に供給することにより被覆加工量の増大を図っている。
【０００７】
また、同様の技術として特許文献３には放電被覆加工装置が開示されている。当該装置は被覆材電極を振動または回転しつつ、パルスを印加することで被覆を行っており、また同時に被覆表面をならし研摩を行うことで、被膜量の増大を図っている。
【０００８】
さらに、特許文献４には、傾斜状態とされた補修用電極を回転させ、その表面に設けられた酸化皮膜除去層により、回転時に対象となる構造部材表面から酸化皮膜を除去することで簡便に被膜除去を行いながら放電被覆を行っている。
【０００９】
また、特許文献５には、所定の放電回路を備え、電極棒を振動又は回転させ、火花放電により電極棒材を被補修面に蒸着させる放電式被覆装置が開示されている。これについては、図３を参照しその従来技術について説明する。
【００１０】
図３は特許文献５に開示されている回路を簡略化した回路図である。開示されている放電式被覆装置は、その一次巻線１０２を商用電源に接続し、複数個の中間タップを有する二次巻線１０３を多接点の切替スイッチ１０４に接続しているトランス１０１と、切替スイッチ１０４の共通端子と二次巻線１０３の他端に接続し、交流を直流に変換する整流器１０５と、整流器１０５の出力に接続されたコンデンサー１０７とインダクター１０８と、他方側に接続された抵抗１０６と、インダクター１０８の他端にそのアノードが接続されたダイオード１１０と、さらにインダクター１０８の他端にそのドレーンが接続されたＦＥＴ１０９と、ダイオード１１０のカソードに接続されたコンデンサー１１１と、さらにダイオード１１０のカソードにそのアノードが接続されたサイリスタ１１２と、サイリスタ１１２のカソードに接続されモータ１１３の回転により軸回転する電極棒１１４とを備える。また、ＦＥＴ１０９のゲートとサイリスタ１１２のゲートは信号発生回路１１６に接続されている。それぞれの適宜他端と金属製ワーク１１５は接地されている。
【００１１】
ここで、信号発生回路１１６は所定の矩形波を作り、これをＦＥＴ１１４のゲート及びサイリスタ１１２のゲートに送出する。このパルス印加により、スイッチング制御され、高充電電圧が発生し、コンデンサー１１１に蓄電される。この高電圧を軸回転する被覆材である電極棒１１４に印加し、電極棒１１４と金属製ワーク１１５との間に火花放電が生じることで、金属製ワーク１１５の被補修面に電極棒１１４である被覆材を蒸着させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】 特公昭５２−３４０１２号公報
【特許文献２】 特公昭５８−１３６２３号公報
【特許文献３】 特公昭５９−３５９８９号公報
【特許文献４】 特開２００８−１１９７０９号公報
【特許文献５】 特開平７−２２８９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献５に記載の技術は、図３に簡略化して示す回路構成により、安定した火花放電を持続させること、また印加電圧を高くできること、電極棒１１４と金属製ワーク１１５との接触（短絡）時の電流制限することでトランス、ダイオード、サイリスタなどの焼損を防ぐこと、等の効果を奏することができるとしている。
【００１４】
しかし、上記構成の放電式被覆装置は以下のような問題点があった。
上記回路においては複数個の中間タップを有するトランスを採用しているが、タップ数は有限であり、限られた電圧調整しかできなかった。
また、複数個の中間タップを有するトランスや、大電流容量の多接点スイッチ等を使用しているため、コストアップになってしまう。
さらには商用変圧器を使用しているため、装置が大型化してしまい、また全体重量も増大化してしまうという問題点があった。
【００１５】
またさらに上記の他の従来技術においては、均一な接触や摺動ができないため、被膜形成が均質化せず、所望の被膜を得ることができなかったり、また回転装置の場合、パルス放電との同期制御が難しい点などがあり、またさらに放電電流・電圧の制御面において、トランスに接続された切替スイッチでは精密な調整ができないという問題点があった。また、被膜量増加のために表面研摩や表面酸化皮膜除去などを同時に行わなければならず、これに対する対応部材・制御が必要となる。
【００１６】
また、上記従来技術による方法や装置によっては、被膜量の制御が困難であり、さらに設けられる被膜量も未だ不十分であった。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは上記従来の問題点に鑑み鋭意研究を進めたところ、上記課題を所定の回路構成により、またこれを用いた放電制御である下記の本発明の構成により解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１８】
そこで、本発明の一態様は、放電被膜装置であって、商用電源に直接接続された直流電源装置と、その一端に前記直流電源装置が接続される一次巻線と、二次巻線とを備えるフライバック変圧器と、前記フライバック変圧器の一次巻線の他端にそのコレクタを接続され、前記直流電源装置にそのエミッタを接続される第１半導体スイッチング素子と、前記フライバック変圧器の二次巻線にそのアノードが接続されるダイオードと、前記ダイオードのカソードにその一端を接続するコンデンサー及び第２半導体スイッチング素子と、前記第２半導体スイッチング素子に接続され、回転手段に連結されて回転駆動する被覆材電極と、前記コンデンサーの他端に接続され、また前記被覆材電極に接触することで電気的に導通する被金属加工体と、前記第１半導体スイッチング素子、前記コンデンサー、前記第２半導体スイッチング素子のそれぞれに接続され、これらに制御パルスを制御シーケンスに従って印加する制御装置と、を備え、
前記コンデンサーの電圧と前記制御装置に設定された所定値とを比較することで、前記第１半導体スイッチング素子に対して所定期間パルス信号によるオン・オフ制御を行い、また前記第２半導体スイッチング素子に対する印加動作制御をパルス信号の印加終了後に行うことで、コンデンサー−第２半導体スイッチング素子−−被覆材電極−被金属加工体で火花放電回路を形成して火花放電被覆を実現することを特徴とする放電被覆装置である。
【００１９】
上記構成の放電被覆装置において、前記第２半導体スイッチング素子のカソードと前記被覆材電極との間に、インダクターが介在していることが好ましい。この場合、突入電流を抑制する機能を果たす。
【００２０】
上記構成の放電被覆装置において、前記直流電源装置は半導体とコンデンサーとからなり、商用交流電源に直接接続されて、直流電流を出力することが好ましい。これにより、装置全体の小型軽量化を図ることができる。
【００２１】
上記構成の放電被覆装置において、前記フライバック変圧器は、一次巻線側の入力電圧が１００Ｖ〜１４０Ｖ又は２００Ｖ〜２４０Ｖであり、二次巻線側の出力電圧が２０Ｖ〜１５０Ｖであることが好ましい。
【００２２】
また本発明の別の態様は、上記構成の放電被覆装置を制御する放電被覆加工方法であって、前記制御装置に前記コンデンサーに対する所定の制御設定値を入力し、前記制御装置へ運転信号を入力し、前記制御装置への運転信号入力により、前記第１半導体スイッチング素子に対して、所定周波数、所定パルス幅のパルス信号を印加することにより、前記コンデンサーにエネルギーを蓄積し、前記制御装置に入力設定された所定の制御設定値と前記コンデンサーに蓄積された電圧とを比較し、前記コンデンサーの電圧が制御設定値を超えた時に、前記制御装置は前記第１半導体スイッチング素子に対するパルス信号印加を停止し、前記制御装置は前記第２半導体スイッチング素子に対してゲート信号を所定期間出力して、火花放電を実行することで所望の被膜形成を行い、前記コンデンサーの放電後の所定期間後、再度前記第１半導体スイッチング素子へのパルス信号印加を開始し、パルス信号印加以降の前記工程を繰り返すことで、所望被膜量の被膜形成を行うことを特徴とする放電被覆加工方法である。
【発明の効果】
【００２３】
上記構成の本発明による放電被覆装置及び放電被覆加工方法により、制御された火花放電を行うことができるため、被膜の大きさや厚さを精密に制御することができる。また、本発明による装置回路は装置全体としての安全性や信頼性を高めることが可能であり、また小型軽量化を実現しうる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】 本発明による放電被覆装置の一例を示す回路図である。
【図２】 本発明の回路において適用されるパルス制御のチャート図である。
【図３】 特許文献５に記載された従来の回路を簡略化した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下に述べる個々の形態には限定されない。
【００２６】
図１は本発明による放電被覆装置に用いられる回路図である。
【００２７】
本発明の放電被覆装置は、商用電源に直接接続された直流電源装置１と、その一次巻線２が直流電源装置１に接続するトランスであるフライバック変圧器と、フライバック変圧器の一次巻線２に接続される第１半導体スイッチング素子４と、フライバック変圧器の二次巻線３にそのアノードが接続されるダイオード５と、ダイオード５のカソードに接続するコンデンサー６及び第２半導体スイッチング素子７と、第２半導体スイッチング素子７のカソードに接続する被覆材電極１０と、これに接触することで電気的に導通する被金属加工体１１とを備える。
【００２８】
被金属加工体１１にはコンデンサー６の他端が接続されている。また制御装置１２が、第１半導体スイッチング素子４、コンデンサー６、第２半導体スイッチング素子７のそれぞれに接続されて設けられている。制御装置１２はこれらに制御パルスを後述する制御シーケンスに沿って印加する。なお、制御装置１２としては８ビット、１６ビットなどのワンチップマイコンを適用することができる。
【００２９】
より詳細には、直流電源装置１は半導体とコンデンサーとからなり、商用交流電源に直接接続されて、直流電流を出力するものを用いることができる。
【００３０】
また、直流電源装置１に接続されるフライバック変圧器の一次巻線２はその一端を直流電源装置１に、また他端を第１半導体スイッチング素子４に接続している。また、フライバック変圧器の二次巻線３はその一端をダイオード５のアノードに接続し、他端は接地されている。直流電源装置１が提供する電圧、周波数については一般的に用いられているものを本発明に適用することが可能であり、例えば各種の電池も適用することができる。また、電源装置の中が交流−直流変換器としてのダイオードブリッジであれば、その入力は交流１００Ｖ又は２００Ｖを印加することができる。
【００３１】
フライバック変圧器は、一次巻線２側の入力電圧が１００Ｖ〜１４０Ｖ又は２００Ｖ〜２４０Ｖであり、二次巻線３側の出力電圧は時間とともに変化するが２０Ｖ〜１５０Ｖを出力するものである。フライバック変圧器としては、たとえばコアーＴＤＫ−ＰＱ５０（断面積３２８ｍｍ２、一次巻線１．２φ１６回、二次巻線１．２φ３２回）などを用いることができる。フォワード方式の変圧器と異なり、一次電流と二次電流との位相が異なるため、二次側で短絡し過大電流が流れた場合にも、一次電流の増加が生じず、装置に不具合が発生しない。
【００３２】
第１半導体スイッチング素子４は、コレクタを一次巻線２の他端に、エミッタを直流電源装置１の他端に、ベースを制御装置１２に、それぞれ接続されている。この第１半導体スイッチング素子４はフライバック変圧器の一次巻線のＯＮ−ＯＦＦ制御する機能をもち、スイッチング速度が速く電流が大きく、例えばＦＥＴ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴなどトランジスタのスイッチング素子を用いることができる。具体的には、例えば、東芝製２ＳＫ２６１１等を用いることができる。また複数個の素子を用いることができる。ここでドレーン−ソース電圧は約７００Ｖであり、ドレーン電流は約−１０Ａでありうる。
【００３３】
コンデンサー６はその一端をダイオード５のカソードに接続され、他端を被金属加工体１１に接続している。ここで、コンデンサー６は例えば２種あるいはそれ以上のものを並列接続させてもよい。このとき、それぞれの容量としては２０μＦ〜４５０μＦの範囲が好ましく、被金属加工体１１の面積、用途、電極の大きさ、加工速度、また要求される被膜の厚さなどに依存する。この範囲の上限より高い容量や下限よりも低い容量では本発明の効果が得られない。コンデンサー６としては、周波数特性が良く、且つ大きな充放電流に耐える、例えばフィルムコンデンサー等が好ましく用いられる。例えば、１０μＦ程度のコンデンサーを複数個使用することができ、また加工対象に応じてその容量は適宜変更しうる。
【００３４】
ダイオード５のカソードには第２半導体スイッチング素子７のアノードが接続されており、第２半導体スイッチング素子７のカソードは、被覆材電極１０に直接接続されていてもよいが、突入電流を抑制する目的から、その間にインダクター８を介在してもよい。また、第２半導体スイッチング素子７のゲートは制御装置１２に接続されている。この第２半導体スイッチング素子７は、放電回路におけるオンオフスイッチ機能を有する。例えば第２半導体スイッチング素子７としてはサイリスタ、トランジスタ、ＦＥＴ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴなどを用いることができる。具体的には日本インターナショナル製ＰＤＨ３０８（定格３０Ａ、電圧８００Ｖ、ピーク電流６００Ａ）などのスイッチング素子を用いることができる。
【００３５】
第２半導体スイッチング素子７のカソードと被覆材電極１０の間に接続してもよいインダクター８は突入電流を抑制する機能をはたす。例えばインダクター８としては、ＴＤＫコア−ＰＱ５０（断面積３２８ｍｍ２、１．２φ×２本、巻数４０回）などが挙げられる。
【００３６】
被覆材電極１０は、回転手段であるモータ９等に連結され、別途設けられたスイッチ（図示せず）のオン／オフにより回転手段を駆動させることで被覆材電極１０が回転される。
被覆材の材質としては目的により選択することができ、例えばタングステンカーバイト、ステンレスなどである。またその形状は、円柱棒状、円筒棒状などとすることができる。またそのサイズとしては、被覆対象や目的に応じて適宜選択できるが、加工の容易さや材料の取り扱いやすさから直径０．５ｍｍφ〜５ｍｍφ、長さ５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の円柱棒状が好ましい。
【００３７】
被金属加工体１１の材質としては、例えばＪＩＳ Ｚ３３２１によるＹＳ４２０またはこれに相当するＴ４２０Ｊ２などが好ましく、例えばスターバックスと称される材料である。サイズについては特に制限はない。このとき、被覆材電極１０との組み合わせについては、別材料の組み合わせでもよく、また同一材料の組み合わせでもよい。例えば、被覆材電極の材料としてタングステンカーバイトを使用した場合には、被金属加工体１１の表面に硬質皮膜を形成することができ、例えば金型のエッジや切削工具（刃物）などに使用しうる。また、被覆材電極としてステンレスなどを使用する場合には、金型上への肉盛被膜を形成することができる。
【００３８】
次に、上記回路構成において行われる制御シーケンスを、図２を参照して説明する。
【００３９】
図２に示すチャート図は、上からａ）制御装置１２に対する運転信号、ｂ）第１半導体スイッチング素子４への制御装置１２からのベース信号（駆動信号）、ｃ）コンデンサー６への印加電圧、ｄ）第２半導体スイッチング素子７への制御装置１２からのゲート信号、ｅ）形成される火花放電回路への電流をそれぞれ示すものである。また、Ｔ１〜Ｔ４はそれぞれの制御期間を示す。
【００４０】
まず、チャート期間Ｔ１においては第１半導体スイッチング素子４への駆動信号の入力が無く、またコンデンサー６への印加電圧が無い初期状態を示す。この状態から図示しないフットスイッチなどのオン動作により、制御装置１２への運転信号が入力されると（Ｔ２）、これにより制御装置１２から２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ周期とパルス幅が一定の駆動信号（Ｔ２全体の幅として、例えば１．５ｍｓｅｃ〜７．５ｍｓｅｃ、パルス幅として例えば１０μｓｅｃ）が第１半導体スイッチング素子４のベースに印加される（図２のｂ）のＴ２期間）。これにともない、第１半導体スイッチング素子４がオンとなり、この場合にフライバック変圧器の一次巻線２に直流電源が印加される。したがってフライバック変圧器の二次巻線３に電圧が発生するが、その電圧はダイオード５により阻止される。その結果、一次側に流れた電流は一次巻線２のインダクターに１／２ＬＩ２の磁気エネルギーとして蓄積される。次に、パルス駆動により第１半導体スイッチング素子４がオフになると、一次巻線２側に蓄積された磁気エネルギーは二次巻線３に逆極性として放出される。この時、第２半導体スイッチング素子７にはゲート信号が無い状態であるため、オフの状態が維持されてコンデンサー６の電荷の流出を阻止している。したがってこの状態で、二次巻線３からダイオード５を通ってコンデンサー６に１／２ＣＶ２として蓄積される。Ｔ２期間においては以上のスイッチング動作がパルス駆動に伴い繰り返されることにより、コンデンサー６の電圧が順次上昇していく（図２のｃ）のＴ２期間）。
【００４１】
次に、コンデンサー６に蓄積された電圧は制御装置１２に設定された閾値電圧と比較される。コンデンサー６の電圧が設定電圧を超えた時、第１半導体スイッチング素子４のベースへの駆動信号が停止され、これが不導通となることで、一次巻線２に流れる電流も停止する。
【００４２】
その後、制御装置１２は第２半導体スイッチング素子７にゲート信号を出力し、この第２半導体スイッチング素子７をオン状態とする（図２におけるＴ３期間、例えば、コンデンサー１００μＦの場合、５０μｓｅｃ〜７０μｓｅｃ）。これにより、コンデンサー６−第２半導体スイッチング素子７−インダクター８−被覆材電極１０−被金属加工体１１−コンデンサー６で閉回路（火花放電回路）を形成する。これにより、コンデンサー６の電荷はインダクター８を通して被覆材電極に与えられ、被覆材電極１０と被金属加工体１１との間に火花放電を発生して、被覆材電極１０による被覆層を被金属加工体１１上に形成する。なお、この際の電流は約５０Ａ〜１５０Ａである。
【００４３】
このとき、前記閉回路はコンデンサー６とインダクター８とにより共振回路を形成し、放電が継続し、コンデンサー６の電荷が消滅すると、逆向きの電流が流れ始める。
【００４４】
このとき、第２半導体スイッチング素子７としてサイリスタを使用している場合には、ゲート信号が無くなっても、アノード側に電流源がある限り電流の流れが継続し、ゲート信号が無くなり、かつアノード側の電流源がなくなるか、又は電流が逆に流れた瞬間にオフ状態（導通阻止状態）となる。よって回路は開回路となる（図２におけるＴ４期間）。サイリスタは比較的安価であり、電圧・電流容量が大きく破損しにくいため、好ましい。
【００４５】
また、インダクター８を使用していない場合には、経過時間を長くとることでコンデンサーの電圧が下がり、サイリスタの電流が保持電流以下になり、サイリスタである第２半導体スイッチング素子７は不導通状態になる。たとえば、サイリスタがオン状態になってからコンデンサー６が放電を開始し、指数関数的に電圧が減少し、これが２Ｖ程度になるとサイリスタは自然に阻止状態を回復する。
【００４６】
一方、第２半導体スイッチング素子７としてＩＧＢＴやＧＴＯを用いた場合には、ゲート信号が停止することで回路は開回路となる。これにより電極における放電も停止することになる。
【００４７】
その後、第２半導体スイッチング素子７の消弧に必要な時間が経過後（Ｔ４の終了）、再び第１半導体スイッチング素子４へのオン・オフ制御が開始する（２回目のＴ２期間）。同じ動作を繰り返して、所望の被膜形成が行われる。上記回路における上記制御を行うことで本発明により可能とされる被膜量は、好ましくは約１０μｍ〜約１００μｍであり、より好ましくは約３０μｍ〜約１００μｍ、さらに好ましくは約５０μｍ〜約１００μｍである。これにより従来よりも安定して所望厚みの被膜を形成することができる。なお、これらのサイクルにおけるＴ３＋Ｔ４＋Ｔ２の期間は、約５ｍｓｅｃ〜約３０ｍｓｅｃが好ましい。
【００４８】
なお、Ｔ３期間の間に停止信号が入れば運転は一時停止されるが、停止信号はＴ３期間の後に挿入されるように制御プログラムが構成されていることが好ましい。これは、コンデンサーの充電時間が不適切になり、設定したコンデンサーにおいて所望の電圧が得られず、これによる放電ムラが生じることを防ぐためである。
【００４９】
本発明では第２半導体スイッチング素子７が導通状態で火花放電が行われている場合、第１半導体スイッチング素子４の駆動信号は停止されている。したがって火花放電に用いられるエネルギーはコンデンサー６に蓄積されている電荷量のみが対象となる。コンデンサー６に蓄積される電圧は制御装置１２によって一定に制御されているため、１回あたりの火花放電エネルギーは常に一定となる。したがって、火花放電により生成される被膜の量（大きさや厚さ）などは常に一定に制御されることになる。このように簡便な回路と制御により、所望の被膜量を一定に得ることができる。
【００５０】
一方、電力を伝達する一次巻線２と二次巻線３とはフライバック変圧器の巻線仕様になっており、したがって第１半導体スイッチング素子４で流れている電流が直接火花放電に寄与することはない。すなわち、第２半導体スイッチング素子７が導通状態となることで第１半導体スイッチング素子４が短絡状態となることがなく、よって装置全体において安全性を向上することができ、信頼性も高くなるというメリットにつながる。
【００５１】
また、コンデンサー６に蓄積される電圧（電荷量）はスイッチング動作をする第１半導体スイッチング素子４のワンパルス毎に階段状に蓄積される（図２のｃ）参照）。従来用いられている汎用商用変圧器の場合には一度に大電流により過大な損失を消費しながら充電されるものに比較して、本発明の蓄電制御は損失が少なく、効率が高くなる。
【００５２】
本発明においては、電源部がフライバック変圧器（一次巻線２、二次巻線３）、第１半導体スイッチング素子４及び制御回路１２とで構成され、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波にて動作する。したがって従来用いられている５０Ｈｚ／６０Ｈｚの変圧器で構成される電源部に比べて非常に小型化することができ、軽量化も実現できるため、一人の人間で持ち運びが可能な携帯型の放電被覆装置を実現することができる。
【００５３】
また、図３に示すような従来においては火花放電の強弱制御はコンデンサー１１１の電圧を制御する必要があり、また５０Ｈｚ／６０Ｈｚ商用変圧器の二次巻線側にタップを設け、大電流容量、多接点の切替スイッチを用いて対応しなければならなかった。しかし、本発明においてはコンデンサー６の電圧を検出し、制御装置において設定された電圧と比較することで第１半導体スイッチング素子４の駆動信号に対するオン・オフ制御を行い、コンデンサー６の電圧を設定電圧とほぼ同じ値にしている。これらの動作は８ビットのワンチップマイコンなどで構成される制御装置１２で容易に達成され、簡単に各種の入出力に対応できる。
【００５４】
また、本発明において作業の停止信号は、火花放電が終了し、コンデンサー６の電圧が無くなるまたは微小な状態で、停止信号が入力され、直ちに第１半導体スイッチング素子４の動作が停止し、またコンデンサー６の充電が停止することが可能である。この制御は単純なフットスイッチなどによる制御装置への停止信号の入力により行うことができ、これにより第１半導体スイッチング素子４を駆動制御することができる。したがって短時間の作業の中断、また復旧（開始）操作も簡単な押しボタン形式のスイッチのみで簡便に行うことができ、有用性が高い。
【実施例】
【００５５】
実施例として、図１の構成の実機を作成し、被覆材電極としてタングステンカーバイト（３ｍｍφ）を用い、被金属加工体としてスターバックスを用いて、放電被覆加工を行った。条件は以下の通りである。
コンデンサー設定電圧：１００Ｖ
Ｔ２期間：１．５ｍｓｅｃ
Ｔ３期間：５０μｓｅｃ
Ｔ４期間：５ｍｓｅｃ
試験実機に対して上記設定による制御を行った結果、ほぼ均一な所望厚さ（５０μｍ）で被膜を被金属加工体表面に形成することができた。
【００５６】
比較例として、図３の構成の比較実機を作成し、同様の試験を行った。比較実機は本発明の実機と比べて小型化することができなかった。また構成パーツの点から製造コストが高くなってしまった。また、得られた被覆は所望量よりも薄くなってしまい、表面状態も不均一であった。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明による放電被覆装置及び放電被覆加工方法は、制御された火花放電を行うことができ、均一は被膜を所望厚さで得ることができる。すなわち、被膜の大きさや厚さを精密に制御することができる。また、本発明による装置回路は装置全体としての安全性や信頼性を高めることが可能であり、さらには小型軽量化、コストダウンを実現しうるので、産業上の利用可能性は非常に高い。
【符号の説明】
【００５８】
１ 直流電源装置
２ フライバック変圧器の一次巻線
３ フライバック変圧器の二次巻線
４ 第１半導体スイッチング素子
５ ダイオード
６ コンデンサー
７ 第２半導体スイッチング素子
８ インダクター
９ モータ（回転手段）
１０ 被覆材電極
１１ 被金属加工体
１２ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は放電被覆装置に関し、特に信頼性が高く、小型であり、所望厚さの皮膜を対象物表面に形成しうる放電被覆装置に関する。また、これを用いた放電被覆加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な鋼材製の金型や加工用工具においては、連続製造・加工による摩滅や欠け、またその表面に設けられている硬質皮膜の剥離などが生じることがある。これらが発生すると、成形品における精度が低下してしまったり、形状品質を保つことができなくなり、製造歩留まりに影響を及ぼす。また、ある種の金型においては、成形時に金型と成形品との間が真空状態となってしまうため、離型時に成形品がいずれかの金型に引きずられてしまい成形不良を起こすことがある。また加工用工具においては、剥離箇所における摩耗が著しくなってしまい、この部分における加工精度の低下やまた工具自身の破損につながることがある。
【０００３】
こうした場合に、同種あるいは別種の鋼材を被覆材として用い、摩滅部分、欠け部分、また剥離部分に被膜を作ることで当該箇所に材料を充填することができる。具体的には例えば、被覆材を電極として用い、被覆材電極と金型などの被加工材との間に所定の電圧を印加することで、被覆材が蒸着などにより被加工材表面に被膜をつくり、その欠落箇所や剥離箇所を埋める。これを適宜成形（研磨など）することで補修を行うことができる。また同様の構成により、金型などの母材の所定箇所に粗面化部分を設けることができ、これにより型抜き時に金型と成形品との間に所定の抵抗を付与することができ、スムーズな離型を行うことができる。
【０００４】
また、プレス打ち抜き加工に際して、プレス後の廃棄部分（いわゆる抜きかす）がプレス打ち抜き型のダイ側面に付着してしまい、さらにパンチの上昇移動に伴い抜きかすが一緒に浮き上がってしまい、次回の加工の妨げになってしまうことがあった。加工の高速化に伴い、このような現象は著しくなり、生産性にも影響してしまうこととなる。また、プレス材料が薄くなる場合にも、この現象が起きやすく、これも問題となっていた。これに対して、当該ダイ側面に所定の被覆を行うことで適度な凸面を形成し、これにより上記現象を解消していた。しかし依然としてこの種の被覆を所望の厚みで簡単に形成することが望まれている。
【０００５】
この種の被覆方法、被覆装置はこれまでも様々な機構が開発されている。
例えば特許文献１に記載の放電被覆方法によれば、被覆材電極を振動または回転させて接触開離させるとともに所定電流密度でパルス放電させることにより、所望の被覆加工速度を高め生産性向上を図っている。
【０００６】
また、特許文献２に記載の放電被覆加工装置は、被覆材電極を振動装置によって接触開離もしくは摺動運動させながら単位パルス列を含むパルスを振動装置に供給することにより被覆加工量の増大を図っている。
【０００７】
また、同様の技術として特許文献３には放電被覆加工装置が開示されている。当該装置は被覆材電極を振動または回転しつつ、パルスを印加することで被覆を行っており、また同時に被覆表面をならし研摩を行うことで、被膜量の増大を図っている。
【０００８】
さらに、特許文献４には、傾斜状態とされた補修用電極を回転させ、その表面に設けられた酸化皮膜除去層により、回転時に対象となる構造部材表面から酸化皮膜を除去することで簡便に被膜除去を行いながら放電被覆を行っている。
【０００９】
また、特許文献５には、所定の放電回路を備え、電極棒を振動又は回転させ、火花放電により電極棒材を被補修面に蒸着させる放電式被覆装置が開示されている。これについては、図３を参照しその従来技術について説明する。
【００１０】
図３は特許文献５に開示されている回路を簡略化した回路図である。開示されている放電式被覆装置は、その一次巻線１０２を商用電源に接続し、複数個の中間タップを有する二次巻線１０３を多接点の切替スイッチ１０４に接続しているトランス１０１と、切替スイッチ１０４の共通端子と二次巻線１０３の他端に接続し、交流を直流に変換する整流器１０５と、整流器１０５の出力に接続されたコンデンサー１０７とインダクター１０８と、他方側に接続された抵抗１０６と、インダクター１０８の他端にそのアノードが接続されたダイオード１１０と、さらにインダクター１０８の他端にそのドレーンが接続されたＦＥＴ１０９と、ダイオード１１０のカソードに接続されたコンデンサー１１１と、さらにダイオード１１０のカソードにそのアノードが接続されたサイリスタ１１２と、サイリスタ１１２のカソードに接続されモータ１１３の回転により軸回転する電極棒１１４とを備える。また、ＦＥＴ１０９のゲートとサイリスタ１１２のゲートは信号発生回路１１６に接続されている。それぞれの適宜他端と金属製ワーク１１５は接地されている。
【００１１】
ここで、信号発生回路１１６は所定の矩形波を作り、これをＦＥＴ１１４のゲート及びサイリスタ１１２のゲートに送出する。このパルス印加により、スイッチング制御され、高充電電圧が発生し、コンデンサー１１１に蓄電される。この高電圧を軸回転する被覆材である電極棒１１４に印加し、電極棒１１４と金属製ワーク１１５との間に火花放電が生じることで、金属製ワーク１１５の被補修面に電極棒１１４である被覆材を蒸着させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】 特公昭５２−３４０１２号公報
【特許文献２】 特公昭５８−１３６２３号公報
【特許文献３】 特公昭５９−３５９８９号公報
【特許文献４】 特開２００８−１１９７０９号公報
【特許文献５】 特開平７−２２８９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献５に記載の技術は、図３に簡略化して示す回路構成により、安定した火花放電を持続させること、また印加電圧を高くできること、電極棒１１４と金属製ワーク１１５との接触（短絡）時の電流制限することでトランス、ダイオード、サイリスタなどの焼損を防ぐこと、等の効果を奏することができるとしている。
【００１４】
しかし、上記構成の放電式被覆装置は以下のような問題点があった。
上記回路においては複数個の中間タップを有するトランスを採用しているが、タップ数は有限であり、限られた電圧調整しかできなかった。
また、複数個の中間タップを有するトランスや、大電流容量の多接点スイッチ等を使用しているため、コストアップになってしまう。
さらには商用変圧器を使用しているため、装置が大型化してしまい、また全体重量も増大化してしまうという問題点があった。
【００１５】
またさらに上記の他の従来技術においては、均一な接触や摺動ができないため、被膜形成が均質化せず、所望の被膜を得ることができなかったり、また回転装置の場合、パルス放電との同期制御が難しい点などがあり、またさらに放電電流・電圧の制御面において、トランスに接続された切替スイッチでは精密な調整ができないという問題点があった。また、被膜量増加のために表面研摩や表面酸化皮膜除去などを同時に行わなければならず、これに対する対応部材・制御が必要となる。
【００１６】
また、上記従来技術による方法や装置によっては、被膜量の制御が困難であり、さらに設けられる被膜量も未だ不十分であった。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは上記従来の問題点に鑑み鋭意研究を進めたところ、上記課題を所定の回路構成により、またこれを用いた放電制御である下記の本発明の構成により解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１８】
そこで、本発明の一態様は、放電被膜装置であって、商用電源に直接接続された直流電源装置と、その一端に前記直流電源装置が接続される一次巻線と、二次巻線とを備えるフライバック変圧器と、前記フライバック変圧器の一次巻線の他端にそのコレクタを接続され、前記直流電源装置にそのエミッタを接続される第１半導体スイッチング素子と、前記フライバック変圧器の二次巻線にそのアノードが接続されるダイオードと、前記ダイオードのカソードにその一端を接続するコンデンサー及び第２半導体スイッチング素子と、前記第２半導体スイッチング素子に接続され、回転手段に連結されて回転駆動する被覆材電極と、前記コンデンサーの他端に接続され、また前記被覆材電極に接触することで電気的に導通する被金属加工体と、前記第１半導体スイッチング素子、前記コンデンサー、前記第２半導体スイッチング素子のそれぞれに接続され、これらに制御パルスを制御シーケンスに従って印加する制御装置と、を備え、
前記コンデンサーの電圧と前記制御装置に設定された所定値とを比較することで、前記第１半導体スイッチング素子に対して所定期間パルス信号によるオン・オフ制御を行い、また前記第２半導体スイッチング素子に対する印加動作制御をパルス信号の印加終了後に行うことで、コンデンサー−第２半導体スイッチング素子−−被覆材電極−被金属加工体で火花放電回路を形成して火花放電被覆を実現することを特徴とする放電被覆装置である。
【００１９】
上記構成の放電被覆装置において、前記第２半導体スイッチング素子のカソードと前記被覆材電極との間に、インダクターが介在していることが好ましい。この場合、突入電流を抑制する機能を果たす。
【００２０】
上記構成の放電被覆装置において、前記直流電源装置は半導体とコンデンサーとからなり、商用交流電源に直接接続されて、直流電流を出力することが好ましい。これにより、装置全体の小型軽量化を図ることができる。
【００２１】
上記構成の放電被覆装置において、前記フライバック変圧器は、一次巻線側の入力電圧が１００Ｖ〜１４０Ｖ又は２００Ｖ〜２４０Ｖであり、二次巻線側の出力電圧が２０Ｖ〜１５０Ｖであることが好ましい。
【００２２】
また本発明の別の態様は、上記構成の放電被覆装置を制御する放電被覆加工方法であって、前記制御装置に前記コンデンサーに対する所定の制御設定値を入力し、前記制御装置へ運転信号を入力し、前記制御装置への運転信号入力により、前記第１半導体スイッチング素子に対して、所定周波数、所定パルス幅のパルス信号を印加することにより、前記コンデンサーにエネルギーを蓄積し、前記制御装置に入力設定された所定の制御設定値と前記コンデンサーに蓄積された電圧とを比較し、前記コンデンサーの電圧が制御設定値を超えた時に、前記制御装置は前記第１半導体スイッチング素子に対するパルス信号印加を停止し、前記制御装置は前記第２半導体スイッチング素子に対してゲート信号を所定期間出力して、火花放電を実行することで所望の被膜形成を行い、前記コンデンサーの放電後の所定期間後、再度前記第１半導体スイッチング素子へのパルス信号印加を開始し、パルス信号印加以降の前記工程を繰り返すことで、所望被膜量の被膜形成を行うことを特徴とする放電被覆加工方法である。
【発明の効果】
【００２３】
上記構成の本発明による放電被覆装置及び放電被覆加工方法により、制御された火花放電を行うことができるため、被膜の大きさや厚さを精密に制御することができる。また、本発明による装置回路は装置全体としての安全性や信頼性を高めることが可能であり、また小型軽量化を実現しうる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】 本発明による放電被覆装置の一例を示す回路図である。
【図２】 本発明の回路において適用されるパルス制御のチャート図である。
【図３】 特許文献５に記載された従来の回路を簡略化した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下に述べる個々の形態には限定されない。
【００２６】
図１は本発明による放電被覆装置に用いられる回路図である。
【００２７】
本発明の放電被覆装置は、商用電源に直接接続された直流電源装置１と、その一次巻線２が直流電源装置１に接続するトランスであるフライバック変圧器と、フライバック変圧器の一次巻線２に接続される第１半導体スイッチング素子４と、フライバック変圧器の二次巻線３にそのアノードが接続されるダイオード５と、ダイオード５のカソードに接続するコンデンサー６及び第２半導体スイッチング素子７と、第２半導体スイッチング素子７のカソードに接続する被覆材電極１０と、これに接触することで電気的に導通する被金属加工体１１とを備える。
【００２８】
被金属加工体１１にはコンデンサー６の他端が接続されている。また制御装置１２が、第１半導体スイッチング素子４、コンデンサー６、第２半導体スイッチング素子７のそれぞれに接続されて設けられている。制御装置１２はこれらに制御パルスを後述する制御シーケンスに沿って印加する。なお、制御装置１２としては８ビット、１６ビットなどのワンチップマイコンを適用することができる。
【００２９】
より詳細には、直流電源装置１は半導体とコンデンサーとからなり、商用交流電源に直接接続されて、直流電流を出力するものを用いることができる。
【００３０】
また、直流電源装置１に接続されるフライバック変圧器の一次巻線２はその一端を直流電源装置１に、また他端を第１半導体スイッチング素子４に接続している。また、フライバック変圧器の二次巻線３はその一端をダイオード５のアノードに接続し、他端は接地されている。直流電源装置１が提供する電圧、周波数については一般的に用いられているものを本発明に適用することが可能であり、例えば各種の電池も適用することができる。また、電源装置の中が交流−直流変換器としてのダイオードブリッジであれば、その入力は交流１００Ｖ又は２００Ｖを印加することができる。
【００３１】
フライバック変圧器は、一次巻線２側の入力電圧が１００Ｖ〜１４０Ｖ又は２００Ｖ〜２４０Ｖであり、二次巻線３側の出力電圧は時間とともに変化するが２０Ｖ〜１５０Ｖを出力するものである。フライバック変圧器としては、たとえばコアーＴＤＫ−ＰＱ５０（断面積３２８ｍｍ２、一次巻線１．２φ１６回、二次巻線１．２φ３２回）などを用いることができる。フォワード方式の変圧器と異なり、一次電流と二次電流との位相が異なるため、二次側で短絡し過大電流が流れた場合にも、一次電流の増加が生じず、装置に不具合が発生しない。
【００３２】
第１半導体スイッチング素子４は、コレクタを一次巻線２の他端に、エミッタを直流電源装置１の他端に、ベースを制御装置１２に、それぞれ接続されている。この第１半導体スイッチング素子４はフライバック変圧器の一次巻線のＯＮ−ＯＦＦ制御する機能をもち、スイッチング速度が速く電流が大きく、例えばＦＥＴ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴなどトランジスタのスイッチング素子を用いることができる。具体的には、例えば、東芝製２ＳＫ２６１１等を用いることができる。また複数個の素子を用いることができる。ここでドレーン−ソース電圧は約７００Ｖであり、ドレーン電流は約−１０Ａでありうる。
【００３３】
コンデンサー６はその一端をダイオード５のカソードに接続され、他端を被金属加工体１１に接続している。ここで、コンデンサー６は例えば２種あるいはそれ以上のものを並列接続させてもよい。このとき、それぞれの容量としては２０μＦ〜４５０μＦの範囲が好ましく、被金属加工体１１の面積、用途、電極の大きさ、加工速度、また要求される被膜の厚さなどに依存する。この範囲の上限より高い容量や下限よりも低い容量では本発明の効果が得られない。コンデンサー６としては、周波数特性が良く、且つ大きな充放電流に耐える、例えばフィルムコンデンサー等が好ましく用いられる。例えば、１０μＦ程度のコンデンサーを複数個使用することができ、また加工対象に応じてその容量は適宜変更しうる。
【００３４】
ダイオード５のカソードには第２半導体スイッチング素子７のアノードが接続されており、第２半導体スイッチング素子７のカソードは、被覆材電極１０に直接接続されていてもよいが、突入電流を抑制する目的から、その間にインダクター８を介在してもよい。また、第２半導体スイッチング素子７のゲートは制御装置１２に接続されている。この第２半導体スイッチング素子７は、放電回路におけるオンオフスイッチ機能を有する。例えば第２半導体スイッチング素子７としてはサイリスタ、トランジスタ、ＦＥＴ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴなどを用いることができる。具体的には日本インターナショナル製ＰＤＨ３０８（定格３０Ａ、電圧８００Ｖ、ピーク電流６００Ａ）などのスイッチング素子を用いることができる。
【００３５】
第２半導体スイッチング素子７のカソードと被覆材電極１０の間に接続してもよいインダクター８は突入電流を抑制する機能をはたす。例えばインダクター８としては、ＴＤＫコア−ＰＱ５０（断面積３２８ｍｍ２、１．２φ×２本、巻数４０回）などが挙げられる。
【００３６】
被覆材電極１０は、回転手段であるモータ９等に連結され、別途設けられたスイッチ（図示せず）のオン／オフにより回転手段を駆動させることで被覆材電極１０が回転される。
被覆材の材質としては目的により選択することができ、例えばタングステンカーバイト、ステンレスなどである。またその形状は、円柱棒状、円筒棒状などとすることができる。またそのサイズとしては、被覆対象や目的に応じて適宜選択できるが、加工の容易さや材料の取り扱いやすさから直径０．５ｍｍφ〜５ｍｍφ、長さ５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の円柱棒状が好ましい。
【００３７】
被金属加工体１１の材質としては、例えばＪＩＳ Ｚ３３２１によるＹＳ４２０またはこれに相当するＴ４２０Ｊ２などが好ましく、例えばスターバックスと称される材料である。サイズについては特に制限はない。このとき、被覆材電極１０との組み合わせについては、別材料の組み合わせでもよく、また同一材料の組み合わせでもよい。例えば、被覆材電極の材料としてタングステンカーバイトを使用した場合には、被金属加工体１１の表面に硬質皮膜を形成することができ、例えば金型のエッジや切削工具（刃物）などに使用しうる。また、被覆材電極としてステンレスなどを使用する場合には、金型上への肉盛被膜を形成することができる。
【００３８】
次に、上記回路構成において行われる制御シーケンスを、図２を参照して説明する。
【００３９】
図２に示すチャート図は、上からａ）制御装置１２に対する運転信号、ｂ）第１半導体スイッチング素子４への制御装置１２からのベース信号（駆動信号）、ｃ）コンデンサー６への印加電圧、ｄ）第２半導体スイッチング素子７への制御装置１２からのゲート信号、ｅ）形成される火花放電回路への電流をそれぞれ示すものである。また、Ｔ１〜Ｔ４はそれぞれの制御期間を示す。
【００４０】
まず、チャート期間Ｔ１においては第１半導体スイッチング素子４への駆動信号の入力が無く、またコンデンサー６への印加電圧が無い初期状態を示す。この状態から図示しないフットスイッチなどのオン動作により、制御装置１２への運転信号が入力されると（Ｔ２）、これにより制御装置１２から２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ周期とパルス幅が一定の駆動信号（Ｔ２全体の幅として、例えば１．５ｍｓｅｃ〜７．５ｍｓｅｃ、パルス幅として例えば１０μｓｅｃ）が第１半導体スイッチング素子４のベースに印加される（図２のｂ）のＴ２期間）。これにともない、第１半導体スイッチング素子４がオンとなり、この場合にフライバック変圧器の一次巻線２に直流電源が印加される。したがってフライバック変圧器の二次巻線３に電圧が発生するが、その電圧はダイオード５により阻止される。その結果、一次側に流れた電流は一次巻線２のインダクターに１／２ＬＩ２の磁気エネルギーとして蓄積される。次に、パルス駆動により第１半導体スイッチング素子４がオフになると、一次巻線２側に蓄積された磁気エネルギーは二次巻線３に逆極性として放出される。この時、第２半導体スイッチング素子７にはゲート信号が無い状態であるため、オフの状態が維持されてコンデンサー６の電荷の流出を阻止している。したがってこの状態で、二次巻線３からダイオード５を通ってコンデンサー６に１／２ＣＶ２として蓄積される。Ｔ２期間においては以上のスイッチング動作がパルス駆動に伴い繰り返されることにより、コンデンサー６の電圧が順次上昇していく（図２のｃ）のＴ２期間）。
【００４１】
次に、コンデンサー６に蓄積された電圧は制御装置１２に設定された閾値電圧と比較される。コンデンサー６の電圧が設定電圧を超えた時、第１半導体スイッチング素子４のベースへの駆動信号が停止され、これが不導通となることで、一次巻線２に流れる電流も停止する。
【００４２】
その後、制御装置１２は第２半導体スイッチング素子７にゲート信号を出力し、この第２半導体スイッチング素子７をオン状態とする（図２におけるＴ３期間、例えば、コンデンサー１００μＦの場合、５０μｓｅｃ〜７０μｓｅｃ）。これにより、コンデンサー６−第２半導体スイッチング素子７−インダクター８−被覆材電極１０−被金属加工体１１−コンデンサー６で閉回路（火花放電回路）を形成する。これにより、コンデンサー６の電荷はインダクター８を通して被覆材電極に与えられ、被覆材電極１０と被金属加工体１１との間に火花放電を発生して、被覆材電極１０による被覆層を被金属加工体１１上に形成する。なお、この際の電流は約５０Ａ〜１５０Ａである。
【００４３】
このとき、前記閉回路はコンデンサー６とインダクター８とにより共振回路を形成し、放電が継続し、コンデンサー６の電荷が消滅すると、逆向きの電流が流れ始める。
【００４４】
このとき、第２半導体スイッチング素子７としてサイリスタを使用している場合には、ゲート信号が無くなっても、アノード側に電流源がある限り電流の流れが継続し、ゲート信号が無くなり、かつアノード側の電流源がなくなるか、又は電流が逆に流れた瞬間にオフ状態（導通阻止状態）となる。よって回路は開回路となる（図２におけるＴ４期間）。サイリスタは比較的安価であり、電圧・電流容量が大きく破損しにくいため、好ましい。
【００４５】
また、インダクター８を使用していない場合には、経過時間を長くとることでコンデンサーの電圧が下がり、サイリスタの電流が保持電流以下になり、サイリスタである第２半導体スイッチング素子７は不導通状態になる。たとえば、サイリスタがオン状態になってからコンデンサー６が放電を開始し、指数関数的に電圧が減少し、これが２Ｖ程度になるとサイリスタは自然に阻止状態を回復する。
【００４６】
一方、第２半導体スイッチング素子７としてＩＧＢＴやＧＴＯを用いた場合には、ゲート信号が停止することで回路は開回路となる。これにより電極における放電も停止することになる。
【００４７】
その後、第２半導体スイッチング素子７の消弧に必要な時間が経過後（Ｔ４の終了）、再び第１半導体スイッチング素子４へのオン・オフ制御が開始する（２回目のＴ２期間）。同じ動作を繰り返して、所望の被膜形成が行われる。上記回路における上記制御を行うことで本発明により可能とされる被膜量は、好ましくは約１０μｍ〜約１００μｍであり、より好ましくは約３０μｍ〜約１００μｍ、さらに好ましくは約５０μｍ〜約１００μｍである。これにより従来よりも安定して所望厚みの被膜を形成することができる。なお、これらのサイクルにおけるＴ３＋Ｔ４＋Ｔ２の期間は、約５ｍｓｅｃ〜約３０ｍｓｅｃが好ましい。
【００４８】
なお、Ｔ３期間の間に停止信号が入れば運転は一時停止されるが、停止信号はＴ３期間の後に挿入されるように制御プログラムが構成されていることが好ましい。これは、コンデンサーの充電時間が不適切になり、設定したコンデンサーにおいて所望の電圧が得られず、これによる放電ムラが生じることを防ぐためである。
【００４９】
本発明では第２半導体スイッチング素子７が導通状態で火花放電が行われている場合、第１半導体スイッチング素子４の駆動信号は停止されている。したがって火花放電に用いられるエネルギーはコンデンサー６に蓄積されている電荷量のみが対象となる。コンデンサー６に蓄積される電圧は制御装置１２によって一定に制御されているため、１回あたりの火花放電エネルギーは常に一定となる。したがって、火花放電により生成される被膜の量（大きさや厚さ）などは常に一定に制御されることになる。このように簡便な回路と制御により、所望の被膜量を一定に得ることができる。
【００５０】
一方、電力を伝達する一次巻線２と二次巻線３とはフライバック変圧器の巻線仕様になっており、したがって第１半導体スイッチング素子４で流れている電流が直接火花放電に寄与することはない。すなわち、第２半導体スイッチング素子７が導通状態となることで第１半導体スイッチング素子４が短絡状態となることがなく、よって装置全体において安全性を向上することができ、信頼性も高くなるというメリットにつながる。
【００５１】
また、コンデンサー６に蓄積される電圧（電荷量）はスイッチング動作をする第１半導体スイッチング素子４のワンパルス毎に階段状に蓄積される（図２のｃ）参照）。従来用いられている汎用商用変圧器の場合には一度に大電流により過大な損失を消費しながら充電されるものに比較して、本発明の蓄電制御は損失が少なく、効率が高くなる。
【００５２】
本発明においては、電源部がフライバック変圧器（一次巻線２、二次巻線３）、第１半導体スイッチング素子４及び制御回路１２とで構成され、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波にて動作する。したがって従来用いられている５０Ｈｚ／６０Ｈｚの変圧器で構成される電源部に比べて非常に小型化することができ、軽量化も実現できるため、一人の人間で持ち運びが可能な携帯型の放電被覆装置を実現することができる。
【００５３】
また、図３に示すような従来においては火花放電の強弱制御はコンデンサー１１１の電圧を制御する必要があり、また５０Ｈｚ／６０Ｈｚ商用変圧器の二次巻線側にタップを設け、大電流容量、多接点の切替スイッチを用いて対応しなければならなかった。しかし、本発明においてはコンデンサー６の電圧を検出し、制御装置において設定された電圧と比較することで第１半導体スイッチング素子４の駆動信号に対するオン・オフ制御を行い、コンデンサー６の電圧を設定電圧とほぼ同じ値にしている。これらの動作は８ビットのワンチップマイコンなどで構成される制御装置１２で容易に達成され、簡単に各種の入出力に対応できる。
【００５４】
また、本発明において作業の停止信号は、火花放電が終了し、コンデンサー６の電圧が無くなるまたは微小な状態で、停止信号が入力され、直ちに第１半導体スイッチング素子４の動作が停止し、またコンデンサー６の充電が停止することが可能である。この制御は単純なフットスイッチなどによる制御装置への停止信号の入力により行うことができ、これにより第１半導体スイッチング素子４を駆動制御することができる。したがって短時間の作業の中断、また復旧（開始）操作も簡単な押しボタン形式のスイッチのみで簡便に行うことができ、有用性が高い。
【実施例】
【００５５】
実施例として、図１の構成の実機を作成し、被覆材電極としてタングステンカーバイト（３ｍｍφ）を用い、被金属加工体としてスターバックスを用いて、放電被覆加工を行った。条件は以下の通りである。
コンデンサー設定電圧：１００Ｖ
Ｔ２期間：１．５ｍｓｅｃ
Ｔ３期間：５０μｓｅｃ
Ｔ４期間：５ｍｓｅｃ
試験実機に対して上記設定による制御を行った結果、ほぼ均一な所望厚さ（５０μｍ）で被膜を被金属加工体表面に形成することができた。
【００５６】
比較例として、図３の構成の比較実機を作成し、同様の試験を行った。比較実機は本発明の実機と比べて小型化することができなかった。また構成パーツの点から製造コストが高くなってしまった。また、得られた被覆は所望量よりも薄くなってしまい、表面状態も不均一であった。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明による放電被覆装置及び放電被覆加工方法は、制御された火花放電を行うことができ、均一は被膜を所望厚さで得ることができる。すなわち、被膜の大きさや厚さを精密に制御することができる。また、本発明による装置回路は装置全体としての安全性や信頼性を高めることが可能であり、さらには小型軽量化、コストダウンを実現しうるので、産業上の利用可能性は非常に高い。
【符号の説明】
【００５８】
１ 直流電源装置
２ フライバック変圧器の一次巻線
３ フライバック変圧器の二次巻線
４ 第１半導体スイッチング素子
５ ダイオード
６ コンデンサー
７ 第２半導体スイッチング素子
８ インダクター
９ モータ（回転手段）
１０ 被覆材電極
１１ 被金属加工体
１２ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源に直接接続された直流電源装置と、
その一端に前記直流電源装置が接続される一次巻線と、二次巻線とを備えるフライバック変圧器と、
前記フライバック変圧器の一次巻線の他端にそのコレクタを接続され、前記直流電源装置にそのエミッタを接続される第１半導体スイッチング素子と、
前記フライバック変圧器の二次巻線にそのアノードが接続されるダイオードと、
前記ダイオードのカソードにその一端を接続するコンデンサー及び第２半導体スイッチング素子と、
前記第２半導体スイッチング素子に接続され、回転手段に連結されて回転駆動する被覆材電極と、
前記コンデンサーの他端に接続され、また前記被覆材電極に接触することで電気的に導通する被金属加工体と、
前記第１半導体スイッチング素子、前記コンデンサー、前記第２半導体スイッチング素子のそれぞれに接続され、これらに制御パルスを制御シーケンスに従って印加する制御装置と、
を備え、
前記コンデンサーの電圧と前記制御装置に設定された所定値とを比較することで、前記第１半導体スイッチング素子に対して所定期間パルス信号によるオン・オフ制御を行い、また前記第２半導体スイッチング素子に対する印加動作制御をパルス信号の印加終了後に行うことで、コンデンサー−第２半導体スイッチング素子−−被覆材電極−被金属加工体で火花放電回路を形成して火花放電被覆を実現することを特徴とする放電被覆装置。
【請求項２】
前記第２半導体スイッチング素子のカソードと前記被覆材電極との間に、インダクターが介在していることを特徴とする請求項１に記載の放電被覆装置。
【請求項３】
前記直流電源装置は半導体とコンデンサーとからなり、商用交流電源に直接接続されて、直流電流を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の放電被覆装置。
【請求項４】
前記フライバック変圧器は、一次巻線側の入力電圧が１００Ｖ〜１４０Ｖ又は２００Ｖ〜２４０Ｖであり、二次巻線側の出力電圧が２０Ｖ〜１５０Ｖであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の放電被覆装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載の放電被覆装置を制御する放電被覆加工方法であって、
前記制御装置に前記コンデンサーに対する所定の制御設定値を入力し、
前記制御装置へ運転信号を入力し、
前記制御装置への運転信号入力により、前記第１半導体スイッチング素子に対して、所定周波数、所定パルス幅のパルス信号を印加することにより、前記コンデンサーにエネルギーを蓄積し、
前記制御装置に入力設定された所定の制御設定値と前記コンデンサーに蓄積された電圧とを比較し、
前記コンデンサーの電圧が制御設定値を超えた時に、前記制御装置は前記第１半導体スイッチング素子に対するパルス信号印加を停止し、
前記制御装置は前記第２半導体スイッチング素子に対してゲート信号を所定期間出力して、火花放電を実行することで所望の被膜形成を行い、
前記コンデンサーの放電後の所定期間後、再度前記第１半導体スイッチング素子へのパルス信号印加を開始し、パルス信号印加以降の前記工程を繰り返すことで、所望被膜量の被膜形成を行う
ことを特徴とする放電被覆加工方法。
【請求項１】
商用電源に直接接続された直流電源装置と、
その一端に前記直流電源装置が接続される一次巻線と、二次巻線とを備えるフライバック変圧器と、
前記フライバック変圧器の一次巻線の他端にそのコレクタを接続され、前記直流電源装置にそのエミッタを接続される第１半導体スイッチング素子と、
前記フライバック変圧器の二次巻線にそのアノードが接続されるダイオードと、
前記ダイオードのカソードにその一端を接続するコンデンサー及び第２半導体スイッチング素子と、
前記第２半導体スイッチング素子に接続され、回転手段に連結されて回転駆動する被覆材電極と、
前記コンデンサーの他端に接続され、また前記被覆材電極に接触することで電気的に導通する被金属加工体と、
前記第１半導体スイッチング素子、前記コンデンサー、前記第２半導体スイッチング素子のそれぞれに接続され、これらに制御パルスを制御シーケンスに従って印加する制御装置と、
を備え、
前記コンデンサーの電圧と前記制御装置に設定された所定値とを比較することで、前記第１半導体スイッチング素子に対して所定期間パルス信号によるオン・オフ制御を行い、また前記第２半導体スイッチング素子に対する印加動作制御をパルス信号の印加終了後に行うことで、コンデンサー−第２半導体スイッチング素子−−被覆材電極−被金属加工体で火花放電回路を形成して火花放電被覆を実現することを特徴とする放電被覆装置。
【請求項２】
前記第２半導体スイッチング素子のカソードと前記被覆材電極との間に、インダクターが介在していることを特徴とする請求項１に記載の放電被覆装置。
【請求項３】
前記直流電源装置は半導体とコンデンサーとからなり、商用交流電源に直接接続されて、直流電流を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の放電被覆装置。
【請求項４】
前記フライバック変圧器は、一次巻線側の入力電圧が１００Ｖ〜１４０Ｖ又は２００Ｖ〜２４０Ｖであり、二次巻線側の出力電圧が２０Ｖ〜１５０Ｖであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の放電被覆装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載の放電被覆装置を制御する放電被覆加工方法であって、
前記制御装置に前記コンデンサーに対する所定の制御設定値を入力し、
前記制御装置へ運転信号を入力し、
前記制御装置への運転信号入力により、前記第１半導体スイッチング素子に対して、所定周波数、所定パルス幅のパルス信号を印加することにより、前記コンデンサーにエネルギーを蓄積し、
前記制御装置に入力設定された所定の制御設定値と前記コンデンサーに蓄積された電圧とを比較し、
前記コンデンサーの電圧が制御設定値を超えた時に、前記制御装置は前記第１半導体スイッチング素子に対するパルス信号印加を停止し、
前記制御装置は前記第２半導体スイッチング素子に対してゲート信号を所定期間出力して、火花放電を実行することで所望の被膜形成を行い、
前記コンデンサーの放電後の所定期間後、再度前記第１半導体スイッチング素子へのパルス信号印加を開始し、パルス信号印加以降の前記工程を繰り返すことで、所望被膜量の被膜形成を行う
ことを特徴とする放電被覆加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−１０８１６３（Ｐ２０１３−１０８１６３Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８２２５５（Ｐ２０１１−２８２２５５）
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（５１１３１３３４１）三和商工株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（５１１３１３３４１）三和商工株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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