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WO2014002188A1 - 放電表面処理装置および放電表面処理方法 - Google Patents

放電表面処理装置および放電表面処理方法 Download PDF

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WO2014002188A1
WO2014002188A1 PCT/JP2012/066262 JP2012066262W WO2014002188A1 WO 2014002188 A1 WO2014002188 A1 WO 2014002188A1 JP 2012066262 W JP2012066262 W JP 2012066262W WO 2014002188 A1 WO2014002188 A1 WO 2014002188A1
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WO
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discharge
surface treatment
switching element
discharge surface
inductance
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/066262
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
善和 中野
後藤 昭弘
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
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Priority to JP2012548158A priority patent/JP5230848B1/ja
Priority to PCT/JP2012/066262 priority patent/WO2014002188A1/ja
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    • H01J37/32568Relative arrangement or disposition of electrodes; moving means

Definitions

  • the present invention relates to a discharge surface treatment apparatus and a discharge surface treatment method.
  • An electrode material is supplied to the surface of the material to be processed by generating a pulsed discharge between the electrodes that are the gap between the electrode for surface treatment of the discharge and the material to be processed, and a film of the electrode material is formed on the surface of the material to be processed.
  • a circuit for generating a small energy discharge in the discharge surface treatment there is a capacitor circuit that charges a capacitor provided between the DC power supply and the electrode with a charge supplied from the DC power supply. In this capacitor circuit, when the charging voltage of the capacitor becomes high, the insulation between the electrodes is broken and discharge occurs, and a discharging current flows from the capacitor to the electrodes and the charging voltage of the capacitor decreases.
  • the discharge surface treatment of the material to be treated is performed by repeatedly charging and discharging the capacitor.
  • Patent Document 1 discloses a power supply device for electric discharge machining that turns on / off a switching element provided between a DC power supply and a capacitor with a predetermined pulse train.
  • Patent Document 1 in the case of a power supply circuit of a system that continuously applies a pulse voltage, although the frequency of occurrence of discharge is improved as compared with a capacitor circuit, the occurrence of discharge causes a voltage between electrodes. Since the interelectrode voltage rises to the voltage level at which discharge occurs again after the decrease in the voltage, it takes several pulses from the pulse generation circuit, making it difficult to generate continuous discharge, and the effect of improving the processing speed Is limited. In addition, since most of the generated discharge has a high peak current value obtained by adding the charge from the power source to the charge charged in the capacitance, the generation rate of discharge with a large discharge energy is high, and the surface roughness is low. It is difficult to obtain a small discharge surface treatment surface.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to obtain a discharge surface treatment apparatus and a discharge surface treatment method capable of reducing the surface roughness and improving the treatment speed of the discharge surface treatment.
  • a discharge surface treatment apparatus provides a pulsed discharge between electrodes serving as a gap between a discharge surface treatment electrode and a material to be treated.
  • a discharge surface treatment apparatus for forming a film of the electrode material by supplying an electrode material to the surface of the material to be processed by generating a switching element for turning on / off the application of a voltage from a power source to the electrode; and A capacitance element connected in parallel with the switching element between the switching element and the poles, and a series connection between the switching element and the capacitance element and the poles.
  • the induced electromotive force generated in the inductance element due to the change in current of the discharge generated between the electrodes is used as a voltage for inducing the next discharge.
  • the induced electromotive force generated in the inductance element due to the change in the discharge current generated between the electrodes can be used as a voltage for inducing the next discharge, the discharge can be generated with high frequency.
  • the treatment speed of the discharge surface treatment can be improved, and a discharge surface treatment surface with a small surface roughness can be obtained.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a discharge surface treatment apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an operation (measured waveform) of the discharge surface treatment apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an operation (schematic diagram) of the discharge surface treatment apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating evaluation conditions in the embodiment.
  • FIG. 5 is an electron micrograph of the surface of the material to be processed in the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the inductance, the probability of occurrence of discharge while the switching element is turned off, and the number of discharges per unit time in the high inductance region in the embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a discharge surface treatment apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an operation (measured waveform) of the discharge surface treatment apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an operation (schematic diagram) of the discharge
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the inductance, the probability of occurrence of discharge while the switching element is turned off, and the number of discharges per unit time in the low inductance region in the embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the inductance and the discharge mark diameter of the Zn-based film in the embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing the processing time when the processing area is 500 mm 2 in the embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the discharge surface treatment apparatus.
  • FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the discharge surface treatment apparatus.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the operation of the discharge surface treatment apparatus (when the gap is open).
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an operation (when a discharge occurs) of the discharge surface treatment apparatus.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of the discharge surface treatment apparatus 100.
  • the discharge surface treatment apparatus 100 generates a pulsed discharge in the gap 23 that is a gap (for example, a minute gap) between the discharge surface treatment electrode 2 and the workpiece 3 in the machining liquid.
  • the discharge surface treatment electrode 2 is made of a material suitable for discharge surface treatment, and is made of, for example, a material containing Zn as a main component (Zn-based material).
  • the discharge surface treatment apparatus 100 supplies the electrode material of the electrode 2 for discharge surface treatment to the surface of the material 3 to be processed, and forms a film of the electrode material (for example, Zn-based material) on the surface of the material 3 to be processed.
  • Perform discharge surface treatment At this time, the discharge surface treatment apparatus 100 needs to generate a small energy discharge in the gap 23.
  • the discharge surface treatment apparatus 100 has a circuit for generating a small energy discharge as shown in FIG. Specifically, the discharge surface treatment apparatus 100 includes a DC power source 1, a current limiting resistor 5, and a capacitance element 4.
  • the DC power supply 1 has an N-side (-side) terminal 1a connected to one end 23a (for example, the discharge surface treatment electrode 2) between the electrodes 23 via the current limiting resistor 5 and the node N1, and the P-side
  • the (+ side) terminal 1b is connected to the other end 23b (for example, the material to be processed 3) of the gap 23 via the node N2.
  • the current limiting resistor 5 is inserted in series on the N line NL connecting the N-side terminal 1a of the DC power source 1 and the one end 23a of the gap 23.
  • the current limiting resistor 5 has one end 5a connected to the N-side terminal 1a of the DC power supply 1 and the other end 5b connected to one end 23a of the gap 23 via the node N1.
  • the capacitance element 4 is connected in parallel with the gap 23 with respect to the current limiting resistor 5.
  • the capacitance element 4 has one end 4a connected to the N line NL at the node N1, and the other end 4b connected to the P line PL at the node N2.
  • the P line PL is a line that connects the P-side terminal 1 b of the DC power supply 1 and the other end 23 b of the gap 23.
  • the DC power supply 1 supplies machining power to the gap 23, and the capacitance element 4 is charged by the DC power supply 1 through the current limiting resistor 5.
  • the discharge surface treatment electrode 2 and the material to be treated 3 are insulative between the gaps 23.
  • the discharge surface treatment electrode 2. The insulation between the substrate 3 and the workpiece 3 is broken, and a discharge is generated between the electrodes 23.
  • a discharge current flows from the capacitance element 4 to the distance 23, and the charge voltage of the capacitance element 4 decreases (the charge from the capacitance element 4 decreases). Discharged).
  • the discharge surface treatment of the workpiece 3 is performed.
  • the discharge surface treatment apparatus 100 by adjusting the capacitance of the capacitance element 4, it is possible to generate a discharge with a small peak current value, a short pulse width, and a small discharge energy. Thus, a treated surface with a small surface roughness can be obtained.
  • the resistance value of the current limiting resistor 5 may be reduced.
  • a phenomenon in which the current is not interrupted may occur, and a treated surface with a small surface roughness cannot be obtained soundly. Therefore, it is difficult to improve the processing speed.
  • the present inventor has also examined the discharge surface treatment apparatus 100i shown in FIG. 11 which is improved to apply a pulse voltage at a higher frequency to the discharge surface treatment apparatus 100 shown in FIG.
  • the discharge surface treatment apparatus 100i further includes a switching element 9i, a diode 10i, a charge consuming resistor 8i, and a control unit 13i.
  • the switching element 9i is inserted in series on the N line NL.
  • the switching element 9 i turns on / off the application of a voltage from the DC power supply 1 to the gap 23.
  • the switching element 9i is, for example, a field effect transistor (FET) or an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • FET field effect transistor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the switching element 9i is turned on when an active level pulse signal (pulse train) SS is supplied to its control terminal (for example, gate or base), so that the distance between the N-side terminal 1a of the DC power source 1 and the electrode 23 is 23.
  • 23a is electrically cut off.
  • the capacitance element 4 is connected between the switching element 9i and the gap 23 in parallel with the gap 23 with respect to the switching element 9i.
  • the capacitance element 4 has one end 4 a connected to the node N 1 between the switching element 9 i and one end 23 a between the electrodes 23, and the other end 4 b between the DC power supply 1 and the other end 23 b between the electrodes 23. Connected to N2.
  • the diode 10i is inserted between the switching element 9i and the node N1 on the N line NL.
  • the diode 10i has a cathode electrically connected to the switching element 9i and an anode electrically connected to the node N1.
  • the charge consuming resistor 8 i is connected to the current limiting resistor 5 in parallel with the gap 23 and the capacitance element 4.
  • the charge consuming resistor 8i has one end 8ia connected to the N line NL at the node N3 and the other end 8ib connected to the P line PL at the node N4.
  • the control unit 13i controls the on / off operation of the switching element 9i by supplying a pulse signal SS for driving the switching element to the control terminal of the switching element 9i.
  • the control unit 13i includes a pulse generation condition setting unit 7i and a pulse generation circuit 6i.
  • the pulse generation condition setting unit 7i includes, for example, an NC device, and sets pulse generation conditions such as a pulse on / off time, the number of pulses in a pulse train, and a pause time between pulse trains.
  • the pulse generation circuit 6i acquires a pulse generation condition from the pulse generation condition setting unit 7i, generates a pulse signal SS for driving the switching element according to the pulse generation condition, and supplies the pulse signal SS to the control terminal of the switching element 9i.
  • the DC power source 1 supplies a pulsed discharge to the gap 23, and the pulse signal SS is at an active level according to the pulse signal SS for driving the switching element from the control unit 13i.
  • the switching element 9i is turned on (for example, H level)
  • a voltage is applied between the discharge surface treatment electrode 2 and the material 3 to be processed, and the pulse signal SS is in a non-active level (for example, L level).
  • the switching element 9i is turned off, the voltage application between the discharge surface treatment electrode 2 and the workpiece 3 is stopped.
  • FIG. 12 shows a state in which the gap (between the electrodes) between the discharge surface treatment electrode 2 and the material to be processed 3 is wide and no discharge occurs (when the gap is open), and the switching element 9i is on.
  • the capacitance element 4 is charged and the switching element 9i is off, the charge of the capacitance element 4 is discharged through the charge consuming resistor 8i.
  • the charge consuming resistor 8i is inserted mainly for the purpose of consuming the charge remaining in the circuit without being consumed by the discharge, but the resistance value of the charge consuming resistor 8i is a current limit for charging.
  • the resistance value of the resistor 5 is set to be sufficiently larger than the resistance value of the resistor 5, even if the switching element 9 i is turned off, the charge of the capacitance element 4 does not immediately disappear, and the voltage between the electrodes is the first and second pulses of the pulse train. It gradually rises with the eyes and rises to near the voltage V1 of the DC power supply 1. In the idle period in which no pulse train is generated, the interelectrode voltage drops and eventually reaches 0V.
  • FIG. 13 shows a state where a discharge has occurred (when a discharge occurs).
  • FIG. 13A shows a state in which a dielectric breakdown occurs between the electrodes 23 during the rise of the voltage of the third pulse in the pulse train, and a discharge occurs, and the current between the electrodes depends on the charge charged in the capacitance element 4.
  • a current that flows from the DC power source 1 through the switching element 9i and the diode 10i is added to the discharge current.
  • B shows a state in which a discharge has occurred because a state in which dielectric breakdown between the electrodes is likely to occur following A is continued. The peak current value at this time is lower than the peak current value of A because the charge voltage of the capacitance element 4 was discharged in a slightly low state.
  • C shows a state in which the dielectric breakdown occurs after the voltage between the electrodes gradually rises after the discharge at B, and the discharge current flows.
  • the frequency of occurrence of the discharge is improved as compared with the discharge surface treatment apparatus 100 shown in FIG. Since the interelectrode voltage rises to the voltage level at which discharge occurs again after the interelectrode voltage has decreased, several pulses from the pulse generation circuit are required as shown in FIG. However, the effect of improving the processing speed is limited.
  • most of the generated discharge is a current having a high peak value obtained by adding the current flowing from the DC power source 1 through the switching element 9i and the diode 10i to the charge charged in the capacitance element 4 as described above, and therefore, the discharge energy It is difficult to obtain a treated surface with a high generation rate of large discharge and low surface roughness.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a discharge surface treatment apparatus 100k according to an embodiment. Below, it demonstrates centering on a different part from the discharge surface treatment apparatus 100i (refer FIG. 11).
  • the discharge surface treatment apparatus 100k includes a switching element 9k, a diode 10k, an inductance element 11k, and a control unit 13k. Although not shown in FIG. 1, an element having the same function as the charge consuming resistor 8i shown in FIG. 11 is also used in this embodiment.
  • the switching element 9k is assumed to be a switching element made of silicon (Si), for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or a FET (MOSFET) using a metal oxide semiconductor. ing.
  • the switching element 9k is not limited to the switching element formed using Si as a material.
  • SiC silicon carbide
  • the diode 10k is not limited to a diode formed using Si as a material.
  • SiC silicon carbide
  • the semiconductor element made of SiC has a feature that it can be used in a high temperature range exceeding 200 ° C., switching provided in the power supply device for electric discharge machining and electric discharge surface treatment. If an element made of SiC is used as the element 9k, the allowable operating temperature of the switching element 9k can be increased, and the problem of heat generation of the element can be alleviated. This makes it possible to increase the machining capacity while avoiding or suppressing an increase in circuit scale.
  • the switching element made of SiC has high heat resistance, it is possible to reduce the size of a heat sink such as a heat sink added to the switching element 9k, and further downsize the device.
  • the switching element made of SiC has low power loss, the switching element 9k can be highly efficient, and the discharge surface treatment apparatus 100k can be highly efficient.
  • SiC is one of the semiconductors called wide-bandgap semiconductors, capturing the characteristic that the band gap is larger than that of Si.
  • a semiconductor formed using a gallium nitride-based material or diamond belongs to a wide bandgap semiconductor, and their characteristics are also similar to SiC. Therefore, a configuration using a wide band gap semiconductor other than SiC also forms the gist of the present embodiment.
  • the inductance element 11k is connected in series between the switching element 9k and the capacitance element 4 and the gap 23.
  • the inductance element 11k has one end 11ka electrically connected to the switching element 9k via the node N1 and electrically connected to one end 4a of the capacitance element 4 via the node N1, and the other end 11kb between the electrodes. 23 is electrically connected to one end 23a.
  • the control unit 13k periodically turns on / off the switching element 9k so that the next discharge is induced by the induced electromotive force generated in the inductance element 11k due to the current change of the discharge generated in the gap 23.
  • the control unit 13k performs control so that a discharge is generated in the gap 23 with the voltage applied to the gap 23 from the DC power supply 1 through the switching element 9k during the ON period of the switching element 9k.
  • the control unit 13k discharges to the gap 23 with the induced electromotive force of the inductance element 11k in a state where the DC power source 1 and the gap 23 are electrically cut off by the switching element 9k during the OFF period of the switching element 9k.
  • the pulse generation condition setting unit 7k of the control unit 13k includes a pulse generation condition including a pulse period suitable for inducing the next discharge with the induced electromotive force generated in the inductance element 11k due to the current change of the discharge generated in the gap 23. And the pulse generation circuit 6k of the control unit 13k generates the pulse signal SS ′ according to such a pulse generation condition.
  • control unit 13k performs control such that the discharge surface treatment apparatus 100k performs the operations shown in FIGS.
  • the present inventor made a prototype of the circuit shown in FIG. 1 and obtained the voltage waveform and current waveform of the gap 23 when actually processing the prototyped circuit with an oscilloscope.
  • An example of the result is shown in FIG.
  • FIG. 2 since the discharge surface treatment electrode side is the negative electrode, the obtained voltage waveform is inverted (the voltage is lower on the lower side than GND). From FIG. 2, it is often the case that a discharge occurs while the switching element 9k is off (during the pulse off time), and the inter-electrode voltage increases while the switching element 9k is off (pulse off time). I can see that
  • FIG. 3 shows the voltage and current waveform of the gap 23 between the discharge surface treatment electrode 2 and the material 3 to be processed and the on / off state of the pulse from the time when discharge starts to occur in the configuration shown in FIG. It is simply shown.
  • the positive voltage between the electrodes is set upward for easy explanation.
  • the pulse generation circuit 6k generates a predetermined pulse signal (pulse train) SS 'based on a command such as a pulse on / off time from the pulse generation condition setting unit 7k in FIG.
  • a command such as a pulse on / off time from the pulse generation condition setting unit 7k in FIG.
  • the switching element 9k When the switching element 9k is turned on, the DC power source 1 is connected to the inductance 11k and the gap 23 between the discharge surface treatment electrode 2 and the workpiece 3 through the current limiting resistor 5 and the like.
  • the pulse generation circuit 6k generates the first pulse, the switching element 9k is turned on for the pulse on time, and a voltage is applied to the gap 23 for a predetermined time.
  • a 'in FIG. 3 shows a state when the voltage between the electrodes 23 rises and a discharge occurs at a certain timing during the pulse-on.
  • an induced electromotive force is generated in the inductance element 11k according to the inductance value of the inductance element 11k and the amount of change in current, and the voltage between the electrodes 23 increases. It becomes like this.
  • B ′ in FIG. 3 a pattern in which discharge occurs while the switching element 9k is turned off, or as shown by C ′ in FIG. 3, the gap 23 is generated by the induced electromotive force generated in the inductance element 11k.
  • E ′ shows a pattern in which discharge is generated while the voltage between the electrodes 23 is increased by the induced electromotive force generated in the inductance element 11k and the switching element 9k is turned on thereafter.
  • some patterns such as a pattern in which the voltage between the electrodes 23 sharply rises while the switching element 9k is turned on and discharge occurs while the switching element 9k is turned off are released. But continuously generated.
  • the state of the discharge current in each pattern is as follows. At the timing D ′ in FIG. 3, since the switching element 9 k is on, in addition to the charge of the capacitance element 4, a current from the DC power supply 1 flows between the electrodes 23, and a discharge having a large peak current value is generated. On the other hand, at the timings B ′, C ′, and E ′ in FIG. 3, since the switching element 9 k is off, the current from the DC power supply 1 does not flow, and a discharge having a relatively small peak current value occurs. In E ′ of FIG. 3, since the state in which dielectric breakdown is likely to occur continues, discharge occurs in a low voltage state, which is lower than the peak current values at B ′ and C ′ of FIG. .
  • the probability of occurrence of discharge while the switching element 9k is turned off and the slope of the voltage that rises while the switching element 9k is turned off depend on the pulse on / off time and the inductance element. Although it varies depending on the magnitude of the inductance value of 11k, by appropriately setting these values as will be described later, the discharge of the patterns B ′, C ′, and E ′ in FIG. Therefore, it is possible to form a treatment surface having a small surface roughness on the surface of the material 3 to be treated at a high treatment speed.
  • the induced electromotive force V generated in the inductance element 11k is expressed by, for example, the following formula 1.
  • V L ⁇ di / dt Equation 1
  • Equation 1 an induced electromotive force is generated in the inductance element 11k at a time when the current changes.
  • the voltage is also generated after the current is interrupted. The rise is seen.
  • this cause is not exact, an oscillation phenomenon occurs in a circuit constituted by the inductance element 11k and the capacitance element 4 in addition to the induced electromotive force generated in the inductance element 11k in accordance with the change in the current of the discharge pulse. I suspect that this is because.
  • the switching element 9k is illustrated or described with a constant on / off period.
  • the switching element 9k does not necessarily have a constant period. Needless to say, it may be fixed or randomly changed. It is important to perform periodic voltage application in order to form a pattern in which the probability of occurrence of discharge is increased by a combination of a voltage increase accompanying a change in the discharge current and a voltage application by turning on the switching element 9k. is there.
  • the periodic switching element 9k is shown to be turned on / off continuously, but it is turned on / off at regular intervals as in FIG. A long pause time may be provided.
  • the processing area is small, if the frequency of occurrence of discharge is high, the electrode material may stagnate in the gap 23 and the discharge may become unstable. In such a case, the discharge state can be stabilized by reducing the discharge frequency by providing a rest period.
  • FIG. 4 shows the investigation of the relationship between the probability of occurrence of a pattern in which a discharge occurs while the switching element 9k is off and the inductance value of the inductance element 11k, and the values of the main parts of the power supply during the evaluation and investigation described later. And so on.
  • a Zn-based electrode was used as the discharge surface treatment electrode.
  • the Zn-based electrode in FIG. 4 a Zn-based powder molded by an appropriate pressing pressure was used. Further, a steel material having a hardness of about 900 Hv was used for the material 3 to be treated. For hardness measurement, a Vickers hardness tester HMV-2000 manufactured by Shimadzu Corporation was used, and an average value measured at 5 points with a load applied of 10 gf and a holding time of 5 sec was defined as the hardness of the measured product.
  • the electric discharge surface treatment was performed in a synthetic electric discharge machining oil based on paraffinic hydrocarbons.
  • a Zn-based electrode was used to form the Zn-based film.
  • the processing was performed by scanning a Zn-based electrode.
  • the Zn-based electrode was consumed as a result of the discharge, and was sent obliquely according to the consumption.
  • the feed amount in the consumption direction will be described.
  • the feed amount in the wear direction varies depending on the press molding pressure during the production of the Zn-based electrode. However, if the feed amount in the wear direction is too small, discharge traces are not formed on the entire surface of the treated material, and the feed amount in the wear direction. If the amount is too much, the processing time becomes longer, so the feed amount in the consumption direction is adjusted to the minimum amount that the discharge trace can cover the entire processing surface of the processing object.
  • the peak current value during processing when the inductance is arranged averages about 10 A and the pulse width (the current waveform vibrates in the actual measurement with the oscilloscope.
  • the first width of the first pulse was about 25 ⁇ 10 ⁇ 9 sec.
  • the open voltage during processing was about 180 to 200V.
  • the open voltage is the maximum value of the voltage in a range in which the switching element 9k is turned on / off in a state where the gap 23 is sufficiently opened and the voltage fluctuation is stable.
  • FIG. 5 is a photograph of the surface of a Zn-based film formed using an inductance element 11k of about 0.9 mH at 1 MHz when observed with an electron microscope (SEM).
  • the Zn-based film has a form in which a Zn-based material is deposited around a discharge mark formed by discharge.
  • the amount of Zn in the Zn-based film varies depending on the press molding pressure of the Zn-based electrode, but the Zn-based electrode used in the present embodiment was investigated using the JXA-8530F electron probe microanalyzer (EPMA) manufactured by JEOL. Therefore, it was about 8 wt%.
  • EPMA JXA-8530F electron probe microanalyzer
  • Analysis of Zn content is performed by wavelength dispersive X-ray spectroscopy (WDS), acceleration voltage is 15 kV, irradiation current is 100 nA, probe diameter is 300 ⁇ m, spectral crystal is LIFH, peak position for each analysis point, background position
  • WDS wavelength dispersive X-ray spectroscopy
  • acceleration voltage is 15 kV
  • irradiation current is 100 nA
  • probe diameter 300 ⁇ m
  • spectral crystal LIFH
  • peak position for each analysis point background position
  • the analysis time was set to 10 sec and 5 sec, respectively, and a three-point analysis was performed, and a three-point average of Zn weight% calculated from the peak intensity ratio with the Zn standard sample was defined as the Zn amount.
  • a wavelength region in which the background does not overlap with the peak regions of other detection elements was selected.
  • FIGS. 6 and 7 show the probability and unit time that discharge occurs when the switching element 9k is turned off when the values of the power supply units are as shown in FIG. 4 and the inductance value of the inductance element 11k in FIG. 1 is changed.
  • FIG. 7 shows in detail the region where the inductance value is small in FIG. Note that the inductance value 0 mH in FIG. 6 and the inductance value 0 ⁇ H in FIG. 7 mean that the inductance element 11 k is not disposed at the position shown in FIG. 1. Further, since it is difficult to accurately grasp the effective frequency acting on the inductance element 11k during the discharge generation period, the inductance value at 1 MHz (measured with a measuring instrument) is used as a parameter in the present embodiment.
  • the probability of occurrence of discharge while the switching element 9k is off will be described. 6 and 7, as the inductance value of the inductance element 11k increases, the probability that discharge occurs while the switching element 9k is off increases, and when the inductance value of the inductance element 11k at 1 MHz is about 50 ⁇ H or more, the switching element 9k. It can be seen that the probability that a discharge occurs while the switching element 9 is turned off begins to increase, and that the probability that a discharge occurs while the switching element 9k is turned off is substantially constant at about 0.3 mH or more.
  • the inductance value is 0 mH
  • the probability that discharge occurs while the switching element 9k is off does not become 0% because the insulation is easily broken in a region where the voltage applied to the gap 23 is high to some extent. This is because the discharge occurs even if the switching element 9k is not on.
  • the inductance value at 1 MHz is confirmed to be about 2.2 mH with respect to the probability of occurrence of discharge while the switching element 9k is turned off.
  • the probability of occurrence of discharge while the switching element 9k is turned off increases as shown in the above equation 1, when di / dt is the same, L (inductance value). This is considered to be because the induced electromotive force generated increases as the value of () increases, and the voltage easily rises to a voltage at which discharge occurs while the switching element 9k is turned off.
  • the number of discharges per unit time increases as the inductance value increases, and the number of discharges per unit time in the range where the inductance value at 1 MHz is 50 ⁇ H to 2 mH is shown in FIG. This is an improvement over the case where the inductance element 11k is not disposed at the position indicated by, and the most favorable one is in the range of 0.3 mH to 1.2 mH. If the inductance value exceeds 2 mH, the number of discharges per unit time tends to be lower than when the inductance element 11k is not disposed at the position shown in FIG.
  • FIG. 8 shows the relationship of the discharge scar diameter of the formed Zn-based coating when the values of each power source are the values shown in FIG. 4 and the inductance value of the inductance element 11k provided at the position shown in FIG. 1 is changed. It is a thing. In general, a surface roughness meter is used for the evaluation of the surface roughness. In the Zn-based film, as shown in FIG. 5, the discharge surface treatment electrode material is welded to the treatment surface. Since the surface roughness varies depending on how the deposited electrode material for discharge surface treatment is attached, the discharge scar diameter was used as an evaluation index of the surface roughness.
  • the size of the discharge scar diameter of the Zn-based coating was measured by arbitrarily extracting five points that looked round based on an electron microscope observation photograph and scale, and calculating the average value of the discharge of the Zn-based coating. It was set as the scar diameter.
  • the inductance of 0 mH means that the inductance element 11k is not arranged at the position shown in FIG. 1, as in the description with reference to FIG.
  • the discharge scar diameter of the Zn-based film decreases, and when the inductance at 1 MHz is about 0.3 mH or more, the discharge trace diameter of the Zn-based film is substantially constant.
  • the discharge scar diameter decreases as shown in FIG. 6, which increases the probability that a discharge will occur while the switching element 9 k is turned off. This is considered to be because the rate of occurrence of discharge with a relatively small peak current value at which no charge flows was increased.
  • the region having a small inductance value was also investigated, it was found that the tendency of the discharge scar diameter to become smaller at 50 ⁇ H or more began to become remarkable.
  • FIG. 9 shows an example of the processing time when a circuit is used in the configuration shown in FIG. 1 and the processing area of the discharge surface treatment is 500 mm 2 .
  • the processing conditions are as shown in FIG. 4, and an inductance element 11k having an inductance value of about 0.9 mH at 1 MHz is used at the position shown in FIG. 1, and the Zn-based film is applied by scanning the Zn-based electrode as described above. Formed. At this time, the amount of Zn was about 8 wt%.
  • the processing time of the Zn-based film formed by the circuit having the configuration shown in FIG. 10 in which each element in the circuit was adjusted so that the same amount of Zn and discharge scar diameter as in the example can be formed is shown.
  • the processing time is overwhelmingly shorter than that of the comparative example. This can be said to be because the discharge occurrence frequency has been improved by the discharge surface treatment apparatus in the present embodiment as described above.
  • the control unit 13k includes the gap 23
  • the switching element 9k is periodically turned on / off so that the next discharge is induced by the induced electromotive force generated in the inductance element 11k due to the change in the current of the discharge generated in step.
  • discharge can be generated with high frequency.
  • the treatment speed of the discharge surface treatment can be improved, and a discharge surface treatment surface with a small surface roughness can be obtained.
  • control unit 13k performs control so that discharge is generated by the induced electromotive force of the inductance element 11k during the OFF period of the switching element 9k. Thereby, discharge with small discharge energy can be generated efficiently.
  • the inductance value of the inductance element 11k is, for example, not less than 50 ⁇ H and not more than 2 mH.
  • the occurrence frequency of discharge can be improved efficiently.
  • the frequency of occurrence of discharge can be improved as compared with the case where the inductance element 11k is not disposed.
  • the inductance value of the inductance element 11k is, for example, not less than 0.3 mH and not more than 1.2 mH.
  • the occurrence frequency of discharge can be improved more efficiently.
  • the probability of occurrence of discharge while the switching element 9k is turned off can be improved to about 60% or more per 1 ⁇ sec.
  • the number of discharges can be increased to about 2.5 or more.
  • the inductance value of the inductance element 11k is, for example, 50 ⁇ H or more.
  • membrane on the surface of a to-be-processed material can be suppressed small.
  • the inductance value of the inductance element 11k is set to 50 ⁇ H or more.
  • the inductance value of the inductance element 11k is, for example, 0.3 mH or more.
  • membrane in the surface of a to-be-processed material can be suppressed smaller.
  • the discharge scar diameter of the film on the surface of the material to be processed can be suppressed to about 5 ⁇ m or less.
  • the switching element 9k is formed of a material mainly composed of a wide band gap semiconductor.
  • the wide band gap semiconductor is a semiconductor using silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond.
  • the pulse generation condition setting unit has an on time of 0.1 ⁇ sec, an off time of 0.3 ⁇ sec, and an inductance arranged at a position indicated by 11 in FIG. 1 is about 0.9 mH at 1 MHz.
  • the example used is mainly described, it is only necessary that the pattern in which the discharge is generated while the switching element is turned off has a continuous configuration, and the element disposed at the position 11 in FIG. In addition to the element, a floating inductance may be used.
  • the discharge surface treatment electrode is exemplified by a Zn-based electrode and the material to be treated is steel, but the discharge surface treatment electrode is not limited to the Zn-based electrode.
  • the material to be treated is not limited to steel. Any electrode can be used as the discharge surface treatment electrode as long as it is electrically conductive and suitable for discharge surface treatment, such as Al-based, Mg-based, and Si-based electrodes.
  • the material to be processed may be any material that is electrically conductive, such as a metal material.
  • this embodiment has been described mainly as a power supply for electric discharge surface treatment, it can also be used as a power supply for electric discharge machining such as fine hole electric discharge machining and wire electric discharge machining by adjusting pulse generation conditions. it can.
  • the discharge surface treatment apparatus according to the present invention is suitable for discharge surface treatment.

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Abstract

 放電表面処理装置は、放電表面処理用電極と被処理材との間隙である極間にパルス状の放電を発生させることにより電極材料を前記被処理材の表面に供給し前記電極材料の皮膜を形成する放電表面処理装置であって、電源から前記極間への電圧の印加をオン/オフするスイッチング素子と、前記スイッチング素子と前記極間との間に、前記スイッチング素子に対して前記極間と並列に接続されたキャパシタンス素子と、前記スイッチング素子及び前記キャパシタンス素子と前記極間との間に直列に接続されたインダクタンス素子と、前記極間に発生した放電の電流変化により前記インダクタンス素子に発生した誘導起電力を次の放電を誘発させる電圧として使用できるように周期的にオン/オフを行う機能を有する制御部とを備える。

Description

放電表面処理装置および放電表面処理方法
 本発明は、放電表面処理装置および放電表面処理方法に関する。
 放電表面処理用電極と被処理材との間隙である極間にパルス状の放電を発生させることにより電極材料を被処理材の表面に供給し被処理材の表面に電極材料の皮膜を形成する放電表面処理において、小さいエネルギの放電を発生させる回路としては、直流電源から供給される電荷を直流電源と極間との間に設けたコンデンサに充電させるコンデンサ回路がある。このコンデンサ回路では、コンデンサの充電電圧が高くなると、極間の絶縁が破れて放電が発生し、コンデンサから極間へ放電電流が流れてコンデンサの充電電圧が下がる。このコンデンサの充電、放電の繰返しで被処理材の放電表面処理を行う。コンデンサ回路を用いた処理では、コンデンサの静電容量の調整により、ピーク電流値が小さくパルス幅が狭い、放電エネルギの小さな放電を発生させることができ、これにより表面粗さの小さい処理面を得ることができる。
 一方、特許文献1には、直流電源とコンデンサとの間に設けられたスイッチング素子を所定のパルス列でON/OFFさせる放電加工用電源装置が開示されている。
国際公開第2006/046630号
 上記のコンデンサ回路を用いた処理では、放電エネルギの小さな放電を発生させることができるが、コンデンサ(キャパシタンス素子)の充電に比較的時間を要するために十分な放電発生頻度が得られず、処理に膨大な時間を要するので、放電表面処理の処理速度を向上させることが困難である。
 一方、特許文献1に記載のように、連続的にパルス電圧を印加する方式の電源回路の場合においては、コンデンサ回路に比べれば放電の発生頻度が向上するものの、放電が発生して極間電圧が低下した後に再び放電が発生する電圧レベルまで極間電圧が上昇するのに、パルス発生回路によるパルスを数回要するため、連続して放電を発生させることが困難で、処理速度の向上の効果は限定的である。また、発生する放電のほとんどは、キャパシタンスに充電された電荷に、電源からの電荷が加わったピーク電流値の高いものであるために、放電エネルギの大きい放電の発生割合が高く、表面粗さの小さい放電表面処理面を得にくい。
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、表面粗さを小さく、かつ放電表面処理の処理速度を向上できる放電表面処理装置および放電表面処理方法を得ることを目的とする。
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の1つの側面にかかる放電表面処理装置は、放電表面処理用電極と被処理材との間隙である極間にパルス状の放電を発生させることにより電極材料を前記被処理材の表面に供給し前記電極材料の皮膜を形成する放電表面処理装置であって、電源から前記極間への電圧の印加をオン/オフするスイッチング素子と、前記スイッチング素子と前記極間との間に、前記スイッチング素子に対して前記極間と並列に接続されたキャパシタンス素子と、前記スイッチング素子及び前記キャパシタンス素子と前記極間との間に直列に接続されたインダクタンス素子と、前記極間に発生した放電の電流変化により前記インダクタンス素子に発生した誘導起電力を次の放電を誘発させる電圧として使用できるように周期的にオン/オフを行う機能を有する制御部とを備えたことを特徴とする。
 本発明によれば、極間に発生した放電の電流変化により前記インダクタンス素子に発生した誘導起電力を次の放電を誘発させる電圧として使用できるので、高頻度で放電を発生させることができる。また、発生する放電についてスイッチング素子のオフ中である場合が多くなるようにできるため、放電エネルギの小さい放電の発生割合を向上させることができる。したがって、放電表面処理の処理速度を向上でき、また、表面粗さの小さい放電表面処理面を得ることができる。
図1は、実施の形態にかかる放電表面処理装置の構成を示す図である。 図2は、実施の形態にかかる放電表面処理装置の動作(実測波形)を示す図である。 図3は、実施の形態にかかる放電表面処理装置の動作(模式図)を示す図である。 図4は、実施の形態における評価条件を示す図である。 図5は、実施の形態における被処理材の表面の電子顕微鏡写真である。 図6は、実施の形態における、高インダクタンス領域における、インダクタンスとスイッチング素子のオフ中に放電が発生する確率および単位時間あたりの放電回数との関係を示した図である。 図7は、実施の形態における、低インダクタンス領域における、インダクタンスとスイッチング素子のオフ中に放電が発生する確率および単位時間あたりの放電回数との関係を示した図である。 図8は、実施の形態における、インダクタンスとZn系皮膜の放電痕径との関係を示した図である。 図9は、実施の形態における、加工面積を500mmとしたときの加工時間を示す図である。 図10は、放電表面処理装置の構成を示す図である。 図11は、放電表面処理装置の構成を示す図である。 図12は、放電表面処理装置の動作(極間オープン時)を示す図である。 図13は、放電表面処理装置の動作(放電発生時)を示す図である。
 以下に、本発明にかかる放電表面処理装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態.
 実施の形態にかかる放電表面処理装置100kについて説明する前に、放電表面処理装置100について図10を用いて説明する。図10は、放電表面処理装置100の構成を示す図である。
 放電表面処理装置100は、加工液中における放電表面処理用電極2と被処理材3との間隙(例えば、微小間隙)である極間23に、パルス状の放電を発生させる。放電表面処理用電極2は、放電表面処理に適した材料で形成されており、例えば、Znを主成分とする材料(Zn系材料)で形成されている。これにより、放電表面処理装置100は、放電表面処理用電極2の電極材料を被処理材3の表面に供給して被処理材3の表面に電極材料(例えば、Zn系材料)の皮膜を形成する放電表面処理を行う。このとき、放電表面処理装置100は、極間23に小さいエネルギの放電を発生させる必要がある。
 放電表面処理装置100は、図10に示すような、小さいエネルギの放電を発生させるための回路を有する。具体的には、放電表面処理装置100は、直流電源1、電流制限用抵抗器5、及びキャパシタンス素子4を備える。
 直流電源1は、N側(-側)端子1aが電流制限用抵抗器5及びノードN1を介して極間23の一端23a(例えば、放電表面処理用電極2)に接続されており、P側(+側)端子1bがノードN2を介して極間23の他端23b(例えば、被処理材3)に接続されている。
 電流制限用抵抗器5は、直流電源1のN側端子1aと極間23の一端23aとを結ぶNラインNL上に直列に挿入されている。例えば、電流制限用抵抗器5は、一端5aが直流電源1のN側端子1aに接続され、他端5bがノードN1を介して極間23の一端23aに接続されている。
 キャパシタンス素子4は、電流制限用抵抗器5に対して極間23と並列に接続されている。例えば、キャパシタンス素子4は、一端4aがノードN1でNラインNLに接続され、他端4bがノードN2でPラインPLに接続されている。PラインPLは、直流電源1のP側端子1bと極間23の他端23bとを結ぶラインである。
 放電表面処理装置100において、直流電源1は、極間23に加工電力を供給するものであり、直流電源1により電流制限用抵抗器5を介してキャパシタンス素子4が充電される。キャパシタンス素子4の充電電圧が低いときには極間23における放電表面処理用電極2と被処理材3との間が絶縁状態であるが、キャパシタンス素子4の充電電圧が高くなると、放電表面処理用電極2と被処理材3との間の絶縁が破れて極間23に放電が発生し、キャパシタンス素子4から極間23に放電電流が流れてキャパシタンス素子4の充電電圧が下がる(キャパシタンス素子4から電荷が放電される)。このキャパシタンス素子4の充電、放電の繰返しで、被処理材3の放電表面処理を行う。
 放電表面処理装置100では、キャパシタンス素子4の静電容量の調整により、ピーク電流値が小さくパルス幅が短い、放電エネルギの小さな放電を発生させることができ、これにより被処理材3の表面に対して、表面粗さの小さい処理面を得ることができる。
 しかし、放電表面処理装置100では、キャパシタンス素子4の充電に比較的時間を要するために十分な放電発生頻度が得られず、処理に膨大な時間を要する。このとき、処理速度を向上させるためには、電流制限用抵抗器5の抵抗値を小さくすれば良いようにも考えられる。しかしながら、電流制限用抵抗器5の抵抗値を小さくすると、電流が途切れない現象が発生する場合があり、表面粗さの小さい処理面を健全に得ることができなくなる。そのため、処理速度を向上させることが困難である。
 本発明者は、図10に示す放電表面処理装置100に対して、さらに高頻度でパルス電圧を印加するように改良した図11に示す放電表面処理装置100iについても検討を行った。具体的には、放電表面処理装置100iは、スイッチング素子9i、ダイオード10i、電荷消費用抵抗器8i、及び制御部13iをさらに備える。
 スイッチング素子9iは、NラインNL上に直列に挿入されている。スイッチング素子9iは、直流電源1から極間23への電圧の印加をオン/オフする。スイッチング素子9iは、例えば、電界効果トランジスタ(FET)又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)である。例えば、スイッチング素子9iは、その制御端子(例えば、ゲート又はベース)にアクティブレベルのパルス信号(パルス列)SSが供給された際にオンすることで、直流電源1のN側端子1aと極間23の一端23aとを電気的に導通させ、その制御端子にノンアクティブレベルのパルス信号(パルス列)SSが供給された際にオフすることで、直流電源1のN側端子1aと極間23の一端23aとを電気的に遮断させる。
 なお、キャパシタンス素子4は、スイッチング素子9iと極間23との間において、スイッチング素子9iに対して極間23と並列に接続されている。例えば、キャパシタンス素子4は、一端4aがスイッチング素子9iと極間23の一端23aとの間のノードN1に接続され、他端4bが直流電源1と極間23の他端23bとの間のノードN2に接続されている。
 ダイオード10iは、NラインNL上におけるスイッチング素子9iとノードN1との間に挿入されている。例えば、ダイオード10iは、カソードがスイッチング素子9iに電気的に接続され、アノードがノードN1に電気的に接続されている。
 電荷消費用抵抗器8iは、電流制限用抵抗器5に対して極間23及びキャパシタンス素子4と並列に接続されている。例えば、電荷消費用抵抗器8iは、一端8iaがノードN3でNラインNLに接続され、他端8ibがノードN4でPラインPLに接続されている。
 制御部13iは、スイッチング素子9iの制御端子にスイッチング素子駆動用のパルス信号SSを供給することで、スイッチング素子9iのオン/オフ動作を制御する。例えば、制御部13iは、パルス発生条件設定部7i及びパルス発生回路6iを有する。パルス発生条件設定部7iは、例えば、NC装置などからなり、パルスのオン/オフ時間やパルス列のパルス数、パルス列とパルス列との間の休止時間などのパルス発生条件を設定する。パルス発生回路6iは、パルス発生条件をパルス発生条件設定部7iから取得し、パルス発生条件に従ってスイッチング素子駆動用のパルス信号SSを発生させ、スイッチング素子9iの制御端子に供給する。
 放電表面処理装置100iにおいて、直流電源1は、極間23にパルス状の放電を供給するものであり、制御部13iからのスイッチング素子駆動用のパルス信号SSに応じて、パルス信号SSがアクティブレベル(例えば、Hレベル)のとき、スイッチング素子9iがオンされて放電表面処理用電極2と被処理材3との間に電圧が印加され、パルス信号SSがノンアクティブレベル(例えば、Lレベル)のときスイッチング素子9iがオフされて放電表面処理用電極2と被処理材3との間の電圧印加が停止される。
 図12、図13は、放電表面処理装置100iにおけるパルス発生回路6iからのパルス列と、放電表面処理用電極2と被処理材3との間の極間23に印加される極間電圧、極間23を流れる極間電流との関係を簡略的に示したものである。
 図12は、放電表面処理用電極2と被処理材3との間隙(極間)が広く、放電が発生していない状態(極間オープン時)を示し、スイッチング素子9iがオンしている間はキャパシタンス素子4が充電され、スイッチング素子9iがオフしている間はキャパシタンス素子4の電荷が電荷消費用抵抗器8iを通して放出される。電荷消費用抵抗器8iは放電で消費されずに回路中に残った電荷を消費することを主な目的として挿入したものであるが、電荷消費用抵抗器8iの抵抗値は充電用の電流制限用抵抗器5の抵抗値よりも十分に大きく設定されているため、スイッチング素子9iがオフしてもキャパシタンス素子4の電荷はすぐには無くならず、極間電圧はパルス列の1パルス目、2パルス目と徐々に上昇していき、直流電源1の電圧V1近くまで上昇していく。パルス列を発生しない休止期間では極間電圧は降下し、やがて0Vとなる。
 図13は、放電が発生した状態(放電発生時)を示している。図13のAは、パルス列の3パルス目の電圧上昇中に極間23の絶縁破壊が起こって放電が発生した状態であり、このときの極間電流は、キャパシタンス素子4に充電された電荷による放電電流に、直流電源1からスイッチング素子9i及びダイオード10iを通して流れる電流を加えたものである。Bは、Aに続いて極間の絶縁破壊が起こりやすい状態が継続したために放電が発生した状態を示す。このときのピーク電流値はキャパシタンス素子4の充電電圧がやや低い状態で放電したためにAのピーク電流値よりも低くなっている。Cは、Bで放電した後に徐々に極間電圧が上昇してから絶縁破壊が起こり、放電電流が流れた状態を示している。
 このように、図11に示す放電表面処理装置100iを用いて放電表面処理を行った場合、図10に示す放電表面処理装置100に比べれば放電の発生頻度が向上するものの、放電が発生して極間電圧が低下した後に再び放電が発生する電圧レベルまで極間電圧が上昇するのに、図13で示したようにパルス発生回路によるパルスを数回要するため、連続して放電を発生させることが困難で、処理速度の向上の効果は限定的である。
 さらに、発生する放電のほとんどは、上述のとおりキャパシタンス素子4に充電された電荷に、直流電源1からスイッチング素子9i及びダイオード10iを通して流れる電流が加わったピーク値の高い電流であるために、放電エネルギの大きい放電の発生割合が高く、表面粗さの小さい処理面を得るのが困難である。
 そこで、放電表面処理装置100iに対して、本実施の形態では、放電エネルギの小さい放電を高頻度に発生させるように、図1に示す改良を行う。図1は、実施の形態における放電表面処理装置100kの構成を示す図である。以下では、放電表面処理装置100i(図11参照)と異なる部分を中心に説明する。
 放電表面処理装置100kは、スイッチング素子9k、ダイオード10k、インダクタンス素子11k、及び制御部13kを備える。なお、図1では図示していないが、図11に示す電荷消費用抵抗器8iと同機能の素子は本実施の形態でも使われている。
 基本の形態の変形例では、スイッチング素子9kとしては、珪素(Si)を素材とするスイッチング素子、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)や金属酸化膜半導体を用いたFET(MOSFET)などを想定している。
 一方、実施の形態では、スイッチング素子9kとしては、Siを素材として形成されたスイッチング素子に限定されるものではない。スイッチング素子9kとしては、このSiに代え、炭化珪素(SiC)を素材とするスイッチング素子を用いることも無論可能である。
 また、ダイオード10kとしては、Siを素材として形成されたダイオードに限定されるものではない。ダイオード10kとしては、このSiに代え、炭化珪素(SiC)を素材とするダイオードを用いることも無論可能である。
 ここで、SiCを素材とする半導体素子は200℃を超えるような高温度域での使用が可能であるという特長を有しているので、放電加工および放電表面処理用電源装置に具備されるスイッチング素子9kとしてSiCを素材とするものを用いれば、スイッチング素子9kの許容動作温度を高くすることができるので、素子の発熱に対する問題を緩和することが可能となる。このことにより、回路規模の増大を回避もしくは抑制しつつ、加工能力の増強を図ることが可能となる。
 また、SiCを素材とするスイッチング素子は耐熱性が高いため、スイッチング素子9kに付加されるヒートシンクといった放熱器の小型化が可能となり、装置の更なる小型化が可能となる。
 さらに、SiCを素材とするスイッチング素子は電力損失が低いため、スイッチング素子9kの高効率化が可能であり、延いては放電表面処理装置100kの高効率化が可能になる。
 なお、SiCは、Siよりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一つである。このSiC以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性もSiCに類似した点が多い。したがって、SiC以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本実施の形態の要旨を成すものである。
 インダクタンス素子11kは、スイッチング素子9k及びキャパシタンス素子4と極間23との間に直列に接続されている。例えば、インダクタンス素子11kは、一端11kaがノードN1を介してスイッチング素子9kに電気的に接続されるとともにノードN1を介してキャパシタンス素子4の一端4aに電気的に接続され、他端11kbが極間23の一端23aに電気的に接続されている。
 制御部13kは、極間23に発生した放電の電流変化によりインダクタンス素子11kに発生する誘導起電力で次の放電を誘発させるように、スイッチング素子9kを周期的にオン/オフさせる。例えば、制御部13kは、スイッチング素子9kのオン期間において、直流電源1からスイッチング素子9kを介して極間23へ印加される電圧で、極間23に放電を発生させるように制御を行う。また、制御部13kは、スイッチング素子9kのオフ期間において、スイッチング素子9kにより直流電源1と極間23とが電気的に遮断された状態におけるインダクタンス素子11kの誘導起電力で、極間23に放電を発生させるように制御を行う。制御部13kのパルス発生条件設定部7kは、極間23に発生した放電の電流変化によりインダクタンス素子11kに発生する誘導起電力で次の放電を誘発させることに適したパルス周期を含むパルス発生条件を設定し、制御部13kのパルス発生回路6kは、そのようなパルス発生条件に従ってパルス信号SS’を発生させる。
 具体的には、制御部13kは、放電表面処理装置100kが図2及び図3に示す動作を行うような制御を行う。
 本発明者は、図1に示す回路を試作し、試作した回路で実際に処理を行った際の極間23の電圧波形、電流波形をオシロスコープで取得した。その結果の一例を図2に示す。なお、図2では、放電表面処理用電極側を負極としたため、得られた電圧波形は反転している(GNDより下側が、電圧が高い)。図2から、スイッチング素子9kのオフ中(パルスのオフ時間中)に放電が発生している場合が多く、また、スイッチング素子9kのオフ(パルスのオフ時間)中に極間電圧が上昇しているのがわかる。
 ここで、図1の構成とすることで、図2のような状態となる理由について説明する。
 図3は、図1に示した構成において放電が発生し始めたときからの放電表面処理用電極2と被処理材3との極間23の電圧と電流波形、パルスのオン/オフの状態を簡略的に示したものである。なお、図3では、説明しやすいように極間電圧の正を上向きとしている。
 図1のパルス発生条件設定部7kからのパルスのオン/オフ時間などの指令に基づき、パルス発生回路6kは所定のパルス信号(パルス列)SS’を発生する。スイッチング素子9kがオンすると、直流電源1は、電流制限用抵抗器5を通してインダクタンス11k、および放電表面処理用電極2と被処理材3との極間23などに接続される。具体的には、パルス発生回路6kが1パルス目のパルスを発生すると、スイッチング素子9kをパルスオン時間だけオンし、極間23に所定時間電圧を印加する。
 図3のA’は、極間23の電圧が上昇し、パルスオン中のあるタイミングで放電が発生したときの状態を示している。この図3のA’のように放電が発生した後は、インダクタンス素子11kのインダクタンス値と電流の変化量とに応じてインダクタンス素子11kに誘導起電力が発生し、極間23の電圧は上昇するようになる。このため、図3のB’に示すように、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生するパターンや、図3のC’に示すように、インダクタンス素子11kに発生した誘導起電力により極間23の電圧が上昇している最中にスイッチング素子9kがオンになり極間23の電圧がさらに上昇して、スイッチング素子9kがオフになってから放電が発生するパターン、図3のD’に示すように、インダクタンス素子11kに発生した誘導起電力により極間23の電圧が上昇して、その後にスイッチング素子9kがオンになっている最中に放電が発生するパターン、図3のE’に示すように、スイッチング素子9kのオン中に極間23の電圧が急峻に上昇して、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生するパターンなど、いくつかのパターンの放電が連続的に発生する。
 各パターンにおける放電電流の様子は以下のとおりである。図3のD’のタイミングでは、スイッチング素子9kがオン中であるので、キャパシタンス素子4の電荷に加え、直流電源1からの電流が極間23に流れ、ピーク電流値の大きい放電が発生する。一方、図3のB’、C’、E’のタイミングでは、スイッチング素子9kがオフ中であるので、直流電源1からの電流が流れず、ピーク電流値の比較的小さい放電が発生する。なお、図3のE’では、絶縁破壊が起こりやすい状態が継続したために電圧が低い状態で放電が発生しており、図3のB’、C’でのピーク電流値よりも低くなっている。
 図3のB’、C’、E’のようにスイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率やスイッチング素子9kのオフ中に上昇する電圧の傾きは、パルスのオン/オフ時間やインダクタンス素子11kのインダクタンス値の大きさによって変わるが、これらの値を後述のように適切に設定することで、ピーク電流の比較的小さい図3のB’、C’、E’のパターンの放電を高頻度に発生させることができ、表面粗さの小さい処理面を高い処理速度で被処理材3の表面に形成することができる。なお、インダクタンス素子11kに発生する誘導起電力Vは、例えば、下記の数式1で示される。
   V=L・di/dt  ・・・・・数式1
 数式1に示されるように、電流の変化のある時間にインダクタンス素子11kに誘導起電力が発生することになるが、本実施の形態の回路(図1参照)では、電流が途切れた後にも電圧の上昇が見られている。この原因は、厳密ではないが、電圧上昇が、放電パルスの電流の変化に伴いインダクタンス素子11kに発生する誘導起電力に加えて、インダクタンス素子11kとキャパシタンス素子4とにより構成される回路で発振現象が生じているためであろうと推測している。
 図2、図3や後述の実施例ではスイッチング素子9kのオン/オフの周期が一定の場合について図示または説明しているが、必ずしも一定周期である必要はなく、周期的であればその周期が一定の決まりあるいはランダムに変化してもよいことは言うまでない。放電の電流の変化に伴う電圧上昇とスイッチング素子9kのオンによる電圧印加との組み合わせにより、放電の発生の確率が上昇するパターンを形成するために、周期的な電圧印加を行うという点が重要である。
 また、図3では、周期的なスイッチング素子9kのオン/オフが、連続的に行われているように図示されているが、図12と同じように、一定の時間毎にオン/オフを停止する長い休止時間を設けてもよい。例えば、処理面積が小さい場合には、放電の発生頻度が高いと電極材料が極間23に多く停滞し、放電が不安定になる場合がある。このような場合には、休止時間を設けて放電頻度を下げることにより放電状態を安定にすることができる。
 次に、本発明者は、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生しているパターンの起こる確率とインダクタンス素子11kのインダクタンス値との関係について調査を行った。図4は、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生しているパターンの起こる確率とインダクタンス素子11kのインダクタンス値との関係についての調査や、後述の評価や調査時の電源の主要な各部の値などを示したものである。放電表面処理用電極にはZn系電極を用いた。
 ここで、図4のZn系電極としては、Zn系粉末を適当なプレス圧力で成型したものを用いた。また、被処理材3には約900Hvの硬さの鋼材を用いた。硬さ測定には島津製作所製ビッカース硬度計HMV-2000を用い、負荷荷重を10gf、保持時間を5secとして5点測定した平均値をその測定物の硬さとした。放電表面処理は、パラフィン系炭化水素を基油とする合成系放電加工油中で行った。
 次に、Zn系皮膜の形成の一例について説明する。Zn系皮膜の形成にはZn系電極を用いた。処理はZn系電極を走査して行ったが、Zn系電極は放電の発生にともない消耗するので、消耗に合わせて斜めに送った。ここで、消耗方向への送り量について説明する。消耗方向への送り量は、Zn系電極作製時のプレス成型圧力などによって変わるが、消耗方向への送り量が少なすぎると被処理材全面に放電痕が形成されず、消耗方向への送り量が多すぎると処理時間が長くなってしまうため、消耗方向への送り量は、放電痕が被処理材の処理面全面を覆うことのできる最小の量に調整した。
 本実施の形態で用いたZn系電極では、インダクタンス配置時の処理中のピーク電流値は平均して約10Aでパルス幅(オシロスコープでの実測では電流波形は振動していたため、この振動する電流波形の1つ目の幅をパルス幅とした)は約25×10-9secであった。また、処理中のオープン電圧は180~200V程度であった。
 なお、本実施の形態において、オープン電圧とは、極間23を十分開いた状態でスイッチング素子9kをオン/オフして電圧の変動が安定した範囲での電圧の最大値とする。
 図5は、1MHzにおいて約0.9mHのインダクタンス素子11kを用いて形成したZn系皮膜の表面を電子顕微鏡(SEM)で観察したときの写真である。図5に示すとおり、Zn系皮膜は放電によって形成された放電痕の周囲にZn系物質が溶着した形態となっている。Zn系皮膜のZn量は、Zn系電極のプレス成型圧力などによって変わるが、本実施の形態で用いたZn系電極では、日本電子製JXA-8530Fの電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)を用いた調査により、約8wt%であった。Zn量の分析は波長分散型X線分光分析法(WDS)により行い、加速電圧を15kV、照射電流を100nA、プローブ径を300μm、分光結晶をLIFH、分析箇所1点につきピーク位置、バックグラウンド位置の分析時間をそれぞれ10sec、5secとした条件で3点分析し、Zn標準試料とのピーク強度比から算出されたZnの重量%の3点平均をZn量とした。なお、言うまでもないが、バックグラウンドは他の検出元素のピーク領域と重ならない波長領域を選択した。
 図6、図7は、電源各部を図4に示す値として、図1のインダクタンス素子11kのインダクタンス値の大きさを変えた場合の、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率と単位時間あたりの放電回数について調査を行った結果を示している。図7は、図6でインダクタンス値が小さい領域について詳細に示したものである。なお、図6中のインダクタンス値0mHや図7中のインダクタンス値0μHとは、図1で示す位置にインダクタンス素子11kを配置していないことを意味する。また、放電発生期間中においてインダクタンス素子11kに作用する有効的な周波数を正確に把握しにくいので、本実施の形態では(測定器で測定した)1MHzにおけるインダクタンス値を、パラメータとした。
 まず、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率について説明する。図6、図7より、インダクタンス素子11kのインダクタンス値が大きくなるにつれて、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率は高くなり、1MHzにおけるインダクタンス素子11kのインダクタンス値が約50μH以上でスイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率が高くなり始め、約0.3mH以上においてはスイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率はほぼ一定となっているのがわかる。インダクタンス値が0mHのとき、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率が0%とならないのは、極間23に印加されている電圧がある程度高い領域では絶縁が破壊しやすい状態となっているので、必ずしもスイッチング素子9kがオン中でなくとも放電が発生するためである。
 なお、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率については、1MHzにおけるインダクタンス値が約2.2mHまで確認している。インダクタンス素子11kのインダクタンス値が大きくなるにしたがってスイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率が高くなるのは、上記の数式1に示される通り、di/dtが同じとすると、L(インダクタンス値)が大きいほど発生する誘導起電力が高くなり、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する電圧まで上昇しやすくなっているためと考えられる。
 一方、単位時間あたりの放電回数について見ると、インダクタンス値が大きくなるにつれて単位時間あたりの放電回数は増大し、1MHzにおけるインダクタンス値が50μH以上2mH以下の範囲で単位時間あたりの放電回数は、図1で示す位置にインダクタンス素子11kを配置していない場合よりも向上し、その中で最も良好であったのは0.3mH~1.2mHの範囲である。なお、インダクタンス値が2mHを超えると、単位時間あたりの放電回数が図1で示す位置にインダクタンス素子11kを配置していない場合より低くなる傾向にある。
 単位時間あたりの放電回数が増大傾向となっているインダクタンス値が比較的小さい領域では、上述のとおりインダクタンス値が大きいほど発生する誘導起電力が高くなり、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する電圧まで上昇しやすくなっているためと考えられる。単位時間あたりの放電回数が減少傾向となっているインダクタンス値の比較的大きい領域(すなわち、インダクタンス値が2mHを超える領域)については、インダクタンス値が大きくなることで電流が流れにくくなっているということもありえるし、また、実験に使用したコイルの導線の長さが長くなるために電気抵抗が実際には大きくなっており電流の流れやすさに影響を与えているなど、インダクタンス値のみではない影響がある可能性もあるが、ここでは深くは議論しない。
 以上のことから、図4のパルスのオン/オフ周期においては、1MHzにおけるインダクタンスが50μH~2mHの範囲で放電発生頻度が向上し、0.3mH~1.2mHの範囲がより良いことがわかる。図6、図7では、パルスのオン/オフ周期が0.1/0.3μsecの場合についての結果を示しているが、パルスのオン時間が0.05μsec~0.2μsecでオフ時間が0.15μsec~0.6μsecの範囲とした場合でも図6、図7と同様の結果が得られ、効果を得られるインダクタンス値の範囲は±20%程度の範囲となっていた。
 次に、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率とZn系皮膜の放電痕径について調査した。
 図8は、電源各部を図4に示す値として、図1で示す位置に設けたインダクタンス素子11kのインダクタンス値の大きさを変えた場合の、形成したZn系皮膜の放電痕径の関係を示したものである。なお、表面粗さの評価としては表面粗度計を用いるのが一般的であるが、Zn系皮膜においては、図5で示したとおり、放電表面処理用電極材料が処理面に溶着した形態となっており、その溶着した放電表面処理用電極材料の付き方により表面粗さが変わってしまうため、放電痕径を表面粗さの評価指標とした。Zn系皮膜の放電痕径の大きさは、電子顕微鏡による観察写真とスケールをもとに、丸形状に見える箇所を任意に5点抽出して計測し、その平均値をそのZn系皮膜の放電痕径とした。図8中で、インダクタンスが0mHとは、図6での説明と同様、図1で示す位置にインダクタンス素子11kを配置していないことを意味する。
 図8から、インダクタンス値が大きくなるにつれて、Zn系皮膜の放電痕径は小さくなり、1MHzにおけるインダクタンスが約0.3mH以上においてZn系皮膜の放電痕径はほぼ一定となっている。インダクタンス値が大きくなるにしたがって放電痕径が小さくなるのは、図6で示したとおり、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率が高くなり、上述のとおり図1の直流電源1からの電荷の流れない比較的ピーク電流値の小さい放電が発生した割合が高くなったためと考えられる。インダクタンス値の小さい領域についても調査を行ったところ、50μH以上で放電痕径が小さくなる傾向が顕著になり始めていることがわかった。以上のことから、1MHzにおけるインダクタンスが50μH以上であれば放電痕径が小さいZn系皮膜を得られており、すなわち、表面粗さの小さい処理面を得ることができ、0.3mH以上の範囲がより良いことがわかる。
 続いて、図9に、図1に示す構成に回路を用いて、放電表面処理の処理面積を500mmとしたときの処理時間を実施例として示す。処理条件は図4に示す条件とし、図1で示す位置に1MHzにおけるインダクタンス値が約0.9mHのインダクタンス素子11kを用い、上述のようにZn系電極をスキャンする処理をしてZn系皮膜を形成した。この時のZn量は約8wt%であった。比較例として、実施例と同程度のZn量と放電痕径を形成できるように回路中の各素子を調整した図10に示す構成の回路によって形成したZn系皮膜の処理時間を掲載した。
 図9に示すように、Zn量や放電痕径など同様の形態のZn系皮膜を得るのに、実施例では、比較例に対して処理時間が圧倒的に短くなっている。これは、本実施の形態における放電表面処理装置によって上述のとおり放電発生頻度が向上したためと言える。
 以上のように、本実施の形態では、インダクタンス素子11kがスイッチング素子9k及びキャパシタンス素子4と極間23との間に直列に接続された放電表面処理装置100kにおいて、制御部13kが、極間23に発生した放電の電流変化によりインダクタンス素子11kに発生する誘導起電力で次の放電を誘発させるように、スイッチング素子9kを周期的にオン/オフさせる。これにより、高頻度で放電を発生させることができる。また、発生する放電についてスイッチング素子のオフ中である場合が多くなるようにできるため、放電エネルギの小さい放電の発生割合を向上させることができる。したがって、放電表面処理の処理速度を向上でき、また、表面粗さの小さい放電表面処理面を得ることができる。
 また、本実施の形態では、制御部13kは、スイッチング素子9kのオフ期間において、インダクタンス素子11kの誘導起電力で放電を発生させるように制御を行う。これにより、放電エネルギの小さい放電を効率的に発生できる。
 また、本実施の形態では、インダクタンス素子11kのインダクタンス値が、例えば、50μH以上2mH以下である。これにより、放電の発生頻度を効率的に向上できる。例えば、図6及び図7に示すように、インダクタンス素子11kのインダクタンス値を50μH以上2mH以下とすることで、インダクタンス素子11kを配置しない場合より、放電の発生頻度を向上できる。
 また、本実施の形態では、インダクタンス素子11kのインダクタンス値が、例えば、0.3mH以上1.2mH以下である。これにより、放電の発生頻度をより効率的に向上できる。例えば、図6に示すように、インダクタンス素子11kのインダクタンス値を0.3mH以上2mH以下とすることで、スイッチング素子9kのオフ中に放電が発生する確率を約60%以上に向上でき、1μsecあたりの放電回数を約2.5回以上に向上できる。
 また、本実施の形態では、インダクタンス素子11kのインダクタンス値が、例えば、50μH以上である。これにより、被処理材の表面における皮膜の放電痕径を小さく抑制できる。例えば、図8に示すように、インダクタンス素子11kのインダクタンス値を50μH以上とすることで、インダクタンス素子11kを配置しない場合より、被処理材の表面における皮膜の放電痕径を小さく抑制できる。
 また、本実施の形態では、インダクタンス素子11kのインダクタンス値が、例えば、0.3mH以上である。これにより、被処理材の表面における皮膜の放電痕径をより小さく抑制できる。例えば、図8に示すように、インダクタンス素子11kのインダクタンス値を0.3mH以上とすることで、被処理材の表面における皮膜の放電痕径を約5μm以下に抑制できる。
 また、本実施の形態では、スイッチング素子9kが、ワイドバンドギャップ半導体を主成分とする材料で形成されている。例えば、ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体である。これにより、スイッチング素子9kの許容動作温度を高くすることができるので、例えばスイッチング素子9kを駆動させるパルス信号のパルス周波数を向上でき、この観点からも、放電の発生頻度を向上させることができる。
 なお、本実施の形態では、パルス発生条件設定部の条件としてオン時間0.1μsec、オフ時間0.3μsec、図1の11で示す位置に配置するインダクタンスとしては1MHzにおいて約0.9mHのものを用いた例を主に説明してきたが、スイッチング素子のオフ中に放電が発生するパターンが持続的である構成となっていればよく、図1の11で示す位置に配置するものはコイルなどの素子以外にも浮遊のインダクタンスであっても良い。
 また、本実施の形態では、放電表面処理用電極にZn系電極、被処理材に鋼材を用いたものを例示しているが、放電表面処理用電極はZn系電極に限定されるものではなく、また、被処理材は鋼材に限定されるものではない。放電表面処理用電極には、例えばAl系、Mg系、Si系など電気的に導通し且つ放電表面処理に適したものであればどのようなものでも用いることができる。被処理材についても同様に、金属材料など電気的に導通するものであれば良い。さらに、本実施の形態は、主に放電表面処理用電源として説明してきたが、パルス発生条件を調整することなどにより、細穴放電加工やワイヤ放電加工などの放電加工用電源としても使うことができる。
 以上のように、本発明にかかる放電表面処理装置は、放電表面処理に適している。
 1 直流電源
 2 放電表面処理用電極
 3 被処理材
 4 キャパシタンス素子
 5 電流制限用抵抗器
 6i、6k パルス発生回路
 7i、7k パルス発生条件設定部
 8i 電荷消費用抵抗器
 9i、9k スイッチング素子
 10i、10k ダイオード
 11k インダクタンス素子
 13i、13k 制御部
 23 極間
 100、100i、100k 放電表面処理装置

Claims (10)

  1.  放電表面処理用電極と被処理材との間隙である極間にパルス状の放電を発生させることにより電極材料を前記被処理材の表面に供給し前記電極材料の皮膜を形成する放電表面処理装置であって、
     電源から前記極間への電圧の印加をオン/オフするスイッチング素子と、
     前記スイッチング素子と前記極間との間において、前記スイッチング素子に対して前記極間と並列に接続されたキャパシタンス素子と、
     前記スイッチング素子及び前記キャパシタンス素子と前記極間との間に直列に接続されたインダクタンス素子と、
     前記極間に発生した放電の電流変化により前記インダクタンス素子に発生した誘導起電力を次の放電を誘発させる電圧として使用できるように周期的にオン/オフを行う機能を有する制御部と、
     を備えたことを特徴とする放電表面処理装置。
  2.  前記制御部は、前記インダクタンス素子の誘導起電力で前記スイッチング素子のオフ中に放電を発生させる
     ことを特徴とする請求項1に記載の放電表面処理装置。
  3.  前記インダクタンス素子のインダクタンス値は、50μH以上2mH以下である
     ことを特徴とする請求項1に記載の放電表面処理装置。
  4.  前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体を主成分とする材料で形成されている
     ことを特徴とする請求項1に記載の放電表面処理装置。
  5.  前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体である
     ことを特徴とする請求項4に記載の放電表面処理装置。
  6.  放電表面処理用電極と被処理材との間隙である極間にパルス状の放電を発生させることより電極材料を前記被処理材の表面に供給し前記電極材料の皮膜を形成する放電表面処理装置における放電表面処理方法であり、
     前記放電表面処理装置は、
     電源から前記極間への電圧の印加をオン/オフするスイッチング素子と、
     前記スイッチング素子と前記極間との間において、前記スイッチング素子に対して前記極間と並列に接続されたキャパシタンス素子と、
     前記スイッチング素子及び前記キャパシタンス素子と前記極間との間に直列に接続されたインダクタンス素子と、
     を有し、
     前記放電表面処理方法は、
     前記極間に発生した放電の電流変化により前記インダクタンス素子に発生する誘導起電力で次の放電を誘発させるように、前記スイッチング素子を周期的にオン/オフさせる工程を含む
     ことを特徴とする放電表面処理方法。
  7.  前記スイッチング素子を周期的にオン/オフさせる工程は、前記インダクタンス素子の誘導起電力で前記スイッチング素子のオフ中に放電を発生させる工程を含む
     ことを特徴とする請求項6に記載の放電表面処理方法。
  8.  前記インダクタンス素子のインダクタンス値は、50μH以上2mH以下である
     ことを特徴とする請求項6に記載の放電表面処理方法。
  9.  前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体を主成分とする材料で形成されている
     ことを特徴とする請求項6に記載の放電表面処理方法。
  10.  前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体である
     ことを特徴とする請求項6に記載の放電表面処理方法。
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