JP2002110396A - 減圧下での除電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 帯電物体を、強帯電であってもかつ三次元形
状であっても減圧下（真空中）で高性能かつ高密度の除
電ができる除電方法を提供する。 【解決手段】 複数の放電電極２を真空室１ａ内に並べ
て設置して、これらに交流高電圧を同時に印加し、放電
電極からグロー放電が生ずるまで真空室内を減圧して、
被除電物Ａを真空室内の放電プラズマ雰囲気で除電す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大気圧以下の減圧
下で除電する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の除電は、放電により空気を電離さ
せてプラス・マイナスのイオンを生成し、そのプラス・
マイナスのイオンにより帯電物体を除電するのが通念
で、空気（ガス分子）が希薄になる減圧下（真空中）で
は、空気の電離が起こりにくくなるため、プラス・マイ
ナスのイオンが生成せず、除電できないという考えであ
った。

【０００３】このような観念から、除電効率を向上させ
たり三次元の帯電面を除電するような場合、例えば送風
により空気を積極的に送っているが、高密度に除電する
ことができず、特に、プラス・マイナス両方の極性が模
様のように複雑に混在している様相の帯電（帯電模様）
に対しては、除電ムラや逆帯電という問題を払拭するこ
とができなかった。

【０００４】本出願人は、上記のような帯電模様まで高
密度に除電できる方法として、特許第２６５１４７６号
公報に記載されているように、平面的な拡がりをもった
イオン吸引電極を用い、これを正負イオン生成用除電電
極に対して帯電物体を挟んで対向配置し、このイオン吸
引電極に、正負が交互に逆極性になる高電圧を交互に印
加し、正負イオン生成用除電電極で発生した正負のイオ
ンをイオン吸引電極で吸引して帯電物体に強制的に照射
する除電方法を提供している。

【０００５】しかし、この方法によると、帯電物体の表
面積よりも大きいイオン吸引電極を必要とするため、装
置規模が大きくなるうえに、イオン吸引電極及び正負イ
オン生成用除電電極のための電源装置も複雑になるなど
の問題がある。

【０００６】また、紫外線を照射して真空中でも除電で
きる方法（例えば特公平５−１２８３９号公報参照）も
提案しているが、弱帯電の場合しか適用できず、また高
密度の除電は期待できない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、帯電
物体が、強帯電であってもかつ三次元形状であっても減
圧下（真空中）で高性能かつ高密度の除電ができる除電
方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の除電方法は、放
電電極を真空室内に設置して交流高電圧を印加し、放電
電極からグロー放電が生ずるまで真空室内を減圧して、
被除電物を真空室内の放電プラズマ雰囲気で除電するこ
とを特徴とする。

【０００９】複数の放電電極を真空室内に並べて設置し
て、これらに交流高電圧を同時に印加すると、除電効率
が向上する。真空室内の減圧は、放電電流が急激に上昇
するところから最大域までの範囲内で行う。その減圧
は、真空室内のガスが空気の場合、３１．３ｋＰａ〜１
Ｐａである。

【００１０】安定したグロー放電にするため、放電電極
にコンデンサ又は抵抗を接続し、コンデンサ又は抵抗を
介して（容量結合又は抵抗結合により）交流高電圧を放
電電極に印加する。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００１２】図１（Ａ）に本発明による方法の模式図、
同図（Ｂ）にそれに用いる放電電極ユニットを示す。真
空容器１内の所定位置に、針状の複数本の放電電極（電
極針）２が所定の間隔をおきかつ先端を同方向に向けて
設置されている。具体的には、これら放電電極２は、図
２に示すようにその一本一本が鍔付きの誘電体コア３に
植設され、横長のプリント基板４に等間隔に設けられた
スルホール５に誘電体コア３に嵌合させることにより、
放電電極２は、プリント基板４上に等間隔（例えば１５
ｍｍピッチ）で一列に突設されている。図３に示すよう
に各スルホール５の内周縁には導電層６が形成され、全
スルホール５の導電層６は、プリント基板４の裏面にプ
リントされた配線パターン７により電気接続されてい
る。従って、各放電電極２は、共通の給電線となる配線
パターン７に対してそれぞれの誘電体コア３により容量
結合されていることになる。

【００１３】このように複数本の放電電極２を保持した
プリント基板４を、図４に示すように断面Ｕ字状のボデ
ィ８内に配置して絶縁モールド９中に埋設し、放電電極
２の先端部のみを絶縁モールド９の表面から突出させる
ことにより、全体として一本の放電電極ユニット１０と
なっている。この放電電極ユニット１０を真空容器１内
において架台に水平に固定することにより、複数本の放
電電極２は真空容器１内の所定位置に水平に固定設置さ
れている。

【００１４】プリント基板４の裏面にプリントされた配
線パターン７は、高圧ケーブル１１を介して真空容器１
外の交流高電圧電源１２に電気接続され、複数本の放電
電極２には、それぞれの誘電体コア３によるコンデンサ
を介して交流高電圧が同時に印加される。誘電体コア３
に代えて抵抗体コアを用いれば、抵抗結合となり、抵抗
を介して交流高電圧が同時に印加されることになる。

【００１５】真空容器１は、外部から透視できるように
透明になっている。真空容器１内、つまり真空室１ａ
は、外部の真空ポンプ１３により無段階に徐々に真空圧
（大気圧以下）に減圧できるようになっている。

【００１６】本発明の除電方法は、このような真空式除
電装置を用い、図１（Ａ）に示すように、被除電物Ａを
放電電極２から距離Ｌ１だけ離して真空室１ａ内に入
れ、複数本の放電電極２に交流高電圧を印加したまま、
これら放電電極２からグロー放電が生ずるまで真空室１
ａ内を減圧することにより、被除電物Ａを真空室１ａ内
の放電プラズマ雰囲気で除電する。以下に本発明者らが
行った実験とその結果について説明する。

【００１７】除電電流を測定するため、被除電物Ａの設
置位置から後方に更に距離Ｌ２だけ離して金属の帯電板
Ｂを真空室１ａ内に垂直に立てて設置し、この帯電板Ｂ
に、図５に示すように電圧計１４と抵抗１５（抵抗値１
００ＫΩ）を接地に対して並列接続して、帯電板Ｂに流
れ込む電流を測定する第１の電流測定（電圧計での測
定）を行った。また、放電電極２に印加する電圧を一定
として真空度を徐々に上げたときの電流と、真空度を一
定として放電電極２に印加する電圧を徐々に上げたとき
の電流について測定した。また、放電電極２を誘電体コ
ア３に植設して容量結合とした放電電極ユニット１０
と、誘電体コア３に代えて抵抗体コアに放電電極２を植
設して抵抗結合とした放電電極ユニットの２つのタイプ
について行った。

【００１８】放電電極２と被除電物Ａと帯電板Ｂは次の
ような条件とした。 放電電極２と被除電物Ａとの距離Ｌ１ ７０ｍｍ 帯電板Ｂのサイズ １５０×１５０ｍｍ 被除電物Ａと帯電板Ｂとの距離Ｌ２ ５０ｍｍ 帯電板Ｂの材質 ステンレス

【００１９】図６は、容量結合した放電電極ユニット１
０を用い、それへの印加電圧は５ｋＶと一定にして真空
容器１ａ内を減圧して圧力（ｋＰａ）を徐々に下げ、帯
電板Ｂに流れる放電電流（μＡ）を電圧計を用いて測定
した放電電流−圧力特性のグラフで、対数目盛にして表
す。

【００２０】図７は、同じく容量結合した放電電極ユニ
ット１０を用い、真空容器１ａ内の圧力は０．０１ｋＰ
ａと一定にして放電電極ユニット１０へ印加する電圧を
１ｋＶずつ上昇させ、帯電板Ｂに流れる放電電流を電圧
計を用いて測定した放電電流−電圧特性のグラフであ
る。

【００２１】図８は、抵抗結合した放電電極ユニットを
用い、それへの印加電圧は５ｋＶと一定にして真空容器
１ａ内を減圧して圧力を徐々に下げ、帯電板Ｂに流れる
放電電流を電圧計を用いて測定した放電電流−圧力特性
のグラフである。

【００２２】図９は、同じく抵抗結合した放電電極ユニ
ットを用い、真空容器１ａ内の圧力は０．０１ｋＰａと
一定にして放電電極ユニットへ印加する電圧を１ｋＶず
つ上昇させ、帯電板Ｂに流れる放電電流を電圧計を用い
て測定した放電電流−電圧特性のグラフである。

【００２３】図６〜図９から分かるように、容量結合及
び抵抗結合のいずれの場合も、帯電板Ｂに流れる放電電
流は、印加電圧に比例して上昇したが、印加電圧を一定
して真空容器１ａ内の圧力を徐々に低下させて行った場
合、圧力があるところまで低下してから急激に上昇し
た。その急激な上昇に従い放電電極２からグロー放電に
よる青紫色の発光量が急激に増加して球形に膨張するの
が、肉眼でも観察された。放電電流の上昇推移は圧力を
更に下げても続き、放電電流が最高域になるまではほぼ
同じような上昇カーブであるが、最高域になってから圧
力の更なる低下に従い減衰し、その減衰に伴い放電電極
２の周囲の球形の発光の大きさも収縮するのが観察され
た。なお、抵抗結合の場合の図１２に示す測定結果で
は、最高域に達した後の減衰が数値として現れなかった
が、発光の減衰は確認できた。

【００２４】また、予め帯電させた被除電物Ａ（プラス
チックフィルム）を、放電電極２から距離Ｌ１（７０ｍ
ｍ）だけ離して対向させて真空室１ａに設置し、放電電
極２に印加する交流高電圧は５ｋＶと一定にして、真空
室１ａの真空度を徐々に上げて（圧力を徐々に下げる）
被除電物Ａに対する除電実験をし、被除電物Ａの表面
（フィルム面）の帯電模様に対する除電を確認した。

【００２５】プラスチックフィルムの帯電状況は、プラ
ス・マイナス両方の極性が複雑に混在した帯電模様を呈
していることから、その帯電状況と除電状況とを視覚的
に把握するため、静電式複写に使用される２種のトナー
を用い、プラスの帯電極性部分には青トナー、マイナス
の帯電極性部分には赤トナーを付着させて、真空室１ａ
内の圧力の変化に対するフィルム表面の除電状況を観測
した。交流高電圧電源１２の電源オン時間はそれぞれ１
秒である。

【００２６】図１０〜図２５にフィルムの帯電模様を示
している。実際にはプラス・マイナス両方の極性が混在
していることから、プラスの帯電極性部分は青色、マイ
ナスの帯電極性部分は赤色で現れているが、カラーで図
示できないため、帯電部分は全て黒で表さざるを得ない
ので、プラス・マイナス両方の帯電極性部分を全て黒で
表現した図と、その中からプラスの帯電極性部分のみを
取り出して黒で表現した図と、マイナスの帯電極性部分
のみを取り出して黒で表現した図の３つに分けて示して
いる。黒色の濃淡は帯電電位の強弱を表している。

【００２７】図１０は、フィルムを真空室１ａ内で除電
する前（空気中）のフィルム表面に現れたプラス・マイ
ナス両方の帯電模様（青と赤）を示した図、図１１は、
その中からプラスの帯電模様のみ（青のみ）を取り出し
た図、図１２は、マイナスの帯電模様のみ（赤のみ）を
取り出した図である。

【００２８】図１３は、真空室１ａの圧力（真空度）を
９１．３ｋＰａにしてフィルムを除電したときのプラス
・マイナス両方の帯電模様を示した図、図１４は、その
中からプラスの帯電模様のみを取り出した図、図１５
は、マイナスの帯電模様のみを取り出した図である。

【００２９】図１６は、真空度を７１．３ｋＰａにして
除電したときのプラス・マイナス両方の帯電模様を示し
た図、図１７は、その中からプラスの帯電模様のみを取
り出した図、図１８は、マイナスの帯電模様のみを取り
出した図である。

【００３０】図１９は、真空度を５１．３ｋＰａにして
除電したときのプラス・マイナス両方の帯電模様を示し
た図、図２０は、その中からプラスの帯電模様のみを取
り出した図、図２１は、マイナスの帯電模様のみを取り
出した図である。

【００３１】図２２は、真空度を４１．３ｋＰａにして
除電したときのプラス・マイナス両方の帯電模様を示し
た図、図２３は、その中からプラスの帯電模様のみを取
り出した図、図２４は、マイナスの帯電模様のみを取り
出した図である。

【００３２】図２５は、真空度を３１．３ｋＰａにして
除電したときのフィルム表面で、帯電模様は現れなかっ
た。真空度を２１．３ｋＰａ、１１．３ｋＰａにしたと
きも帯電模様は現れなかった。

【００３３】これらの帯電模様図と図６、図８に示した
放電電流−圧力特性図とを対比すれば分かるように、真
空室１ａの圧力のあるところまで低下して放電電流が急
激に上昇すると、プラス・マイナス両極性とも帯電模様
は全く消滅し、高密度に綺麗に除電されていることを示
している。

【００３４】これは、被除電物Ａであるプラスチックフ
ィルムの裏面（放電電極２とは反対側）にトナー付着さ
せた場合も同様であった。このような減圧の進行に伴う
現象、つまり真空度が高くなる（圧力が低下する）に従
い空気が希薄になり、電離する空気量が減少していくの
に、除電性能が高まっていく現象は、放電電極からの放
電で空気を電離させて、プラス・マイナスのイオンのみ
で除電していた従来の除電法の考えとは適合せず、真空
室１ａ全体が放電プラズマ雰囲気（荷電粒子であるイオ
ンと電子が混在して電気的に中性な状態）になってい
て、中性なプラズマによりフィルムの帯電部分がプラス
・マイナス両極性とも同時に除電されるからであると想
像される。また、プラズマに電界が印加されると、荷電
粒子であるイオンと電子の移動に伴ってプラズマ中に電
流が流れてプラズマに導電性が生じ、これが上記のよう
に測定された放電電流を引き起こし、放電電流が最高域
になったところがプラズマの導電性が最高に上昇したこ
とと符合すると思われる。

【００３５】ところが、放電電流は、真空室１ａの圧力
の低下に伴い上昇して最高域に達した後、更に圧力を１
Ｐａまで下げていくと減衰し、放電電極３の周囲に生じ
ている球形の発光の大きさも収縮するのが観察された。
これは、圧力を下げ過ぎると放電電流が低下し、却って
除電性能が低下することを示している。

【００３６】本発明者らは、このような現象の理由を究
明するために、圧力の変化に伴う分子及び電子の平均自
由行程の変化について計算した。分子及び電子の平均自
由行程は近似的に次式で求められる。

【００３７】

【数１】

【００３８】ここで、λgは分子の平均自由行程、λeは
電子の平均自由行程、Pは圧力[Torr]で、Ｋ[×10^-3]は
ガスにより異なり、次の表１に示すとおりである。

【００３９】

【表１】

【００４０】上述したような除電実験を行った環境での
空気の平均自由行程を求めたところ表２のようになっ
た。図２６はこれをグラフで表したものである。

【００４１】

【表２】

【００４２】図２６の圧力−平均自由行程のグラフと、
図６及び図８の放電電流−圧力特性のグラフとを対比す
れば分かるように、平均自由行程が急激に上昇する圧力
域では放電電流も急激な上昇推移を呈し、平均自由行程
の上昇推移と放電電流の上昇推移とは符合している。従
って、放電電流の急激な上昇は、真空室１ａでの空気の
分子数の減少以上に、平均自由行程の急激な上昇が大き
く寄与していると言える。しかし、更に圧力が低下した
ときには、平均自由行程は更に上昇するが、上記のよう
に放電電流は減衰しており、これは分子数の減少に伴う
イオンの急激な減少の度合いの方が大きくなったためで
あると思われる。

【００４３】真空室１ａ内を減圧して最高域に達したと
きの放電電流は、大気圧中での放電に比べてはるかに大
きな値で、放電電極間が短絡したときの短絡電流に近
く、このことから、プラズマによる導電性が最高に達し
たことで、これが高密度の除電に有効に寄与していると
思われる。

【００４４】また、容量結合及び抵抗結合しない放電電
極で実験したところ、減圧下では導電性が向上して、短
絡電流に近い放電電流が流れるため、１個の放電電極か
ら集中して大きなプラズマ放電が接地体に向かって流
れ、安定なグロー放電を生成することができず、上記と
同等の除電効果が得られなかった。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、帯電
物体を強帯電であっても減圧下（真空中）で高性能かつ
高密度の除電ができる。また、三次元形状の帯電物体で
あっても、その内部まで高密度に除電でき、更に装置規
模も小さくできる。

【００４６】また、大気圧下での除電では解決しない場
合にも、ある減圧下で除電することで、帯電模様までし
かもプラス・マイナスの帯電極性に関係なく綺麗に除電
できるので、実用価値の高い新たな除電方法を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明による方法の模式図で、（Ｂ）
はそれにおいて用いる放電電極ユニットの正面図であ
る。

【図２】放電電極ユニットにおける放電電極のプリント
基板上での実装構造を示す一部分の断面図である。

【図３】プリント基板の裏面図である。

【図４】放電電極ユニットの断面図である。

【図５】図１の方法にて実験した放電電流の測定手法を
示す模式図である。

【図６】容量結合した放電電極ユニットを用い、それへ
の印加電圧は一定にして真空容器内を減圧して圧力を徐
々に下げ、帯電板に流れる放電電流を電圧計を用いて測
定した放電電流−圧力特性のグラフである。

【図７】同じく容量結合した放電電極ユニットを用い、
真空容器内の圧力は一定にして放電電極ユニットへ印加
する電圧を上昇させ、帯電板に流れる放電電流を電圧計
を用いて測定した放電電流−電圧特性のグラフである。

【図８】抵抗結合した放電電極ユニットを用い、それへ
の印加電圧は一定にして真空容器内を減圧して圧力を徐
々に下げ、帯電板に流れる放電電流を電圧計を用いて測
定した放電電流−圧力特性のグラフである。

【図９】同じく抵抗結合した放電電極ユニットを用い、
真空容器内の圧力は一定にして放電電極ユニットへ印加
する電圧を上昇させ、帯電板に流れる放電電流を電圧計
を用いて測定した放電電流−電圧特性のグラフである。

【図１０】プラスチックフィルムを真空室内で除電する
前のフィルム面に現れたプラス・マイナス両方の帯電模
様を示す図である。

【図１１】図１０からプラスの帯電模様のみ（青のみ）
を取り出した図である。

【図１２】同じくマイナスの帯電模様のみを取り出した
図である。

【図１３】真空室の圧力を９１．３ｋＰａにしてフィル
ムを除電したときのプラス・マイナス両方の帯電模様を
示した図である。

【図１４】図１３からプラスの帯電模様のみを取り出し
た図である。

【図１５】同じくマイナスの帯電模様のみを取り出した
図である。

【図１６】真空室の圧力を７１．３ｋＰａにしてフィル
ムを除電したときのプラス・マイナス両方の帯電模様を
示した図である。

【図１７】図１６からプラスの帯電模様のみを取り出し
た図である。

【図１８】同じくマイナスの帯電模様のみを取り出した
図である。

【図１９】真空室の圧力を５１．３ｋＰａにしてフィル
ムを除電したときのプラス・マイナス両方の帯電模様を
示した図である。

【図２０】図１９からプラスの帯電模様のみを取り出し
た図である。

【図２１】同じくマイナスの帯電模様のみを取り出した
図である。

【図２２】真空室の圧力を４１．３ｋＰａにしてフィル
ムを除電したときのプラス・マイナス両方の帯電模様を
示した図である。

【図２３】図２２からプラスの帯電模様のみを取り出し
た図である。

【図２４】同じくマイナスの帯電模様のみを取り出した
図である。

【図２５】真空室の圧力を３１．３ｋＰａにしてフィル
ムを除電したときのプラス・マイナス両方の帯電模様を
示した図である。

【図２６】圧力の変化に伴う空気の分子及び電子の平均
自由行程の変化を示すグラフである。

【符号の説明】

Ａ 被除電物 Ｂ 帯電板 １ 真空容器 １ａ 真空室 ２ 放電電極 ３ 誘電体コア ４ プリント基板 ５ スルホール ６ 導電層 ７ 配線パターン ８ ボディ ９ 絶縁モールド １０ 放電電極ユニット １１ 高圧ケーブル １２ 交流高電圧電源 １３ 真空ポンプ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年９月２７日（２０００．９．２
７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】複数の放電電極を真空室内に並べて設置し
て、これらに交流高電圧を同時に印加すると、除電効率
が向上する。真空室内の減圧は、放電電流が急激に上昇
するところから最大域までの範囲内で行う。その減圧
は、真空室内のガスが空気の場合、３１．３ｋＰａ〜１
Ｐａである。なお、ここで１Ｐａは、実施例で示してい
るようにマイナス放電電流値が最大になるところでな
く、最大になってから下降したところであり、本発明で
言う「最大域」とは、このように最大値から下降したと
ころまでを含めた意味である。

フロントページの続き (72)発明者 中島 和朗 神奈川県津久井郡津久井町太井821−25 Ｆターム(参考） 5G067 DA01 DA19 DA21 EA10

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電電極を真空室内に設置して交流高電圧
   を印加し、放電電極からグロー放電が生ずるまで真空室
   内を減圧して、被除電物を真空室内の放電プラズマ雰囲
   気で除電することを特徴とする減圧下での除電方法。
2. 【請求項２】複数の放電電極を真空室内に並べて設置し
   て、これらに交流高電圧を同時に印加することを特徴と
   する請求項１に記載の減圧下での除電方法。
3. 【請求項３】真空室内の減圧は、放電電流が急激に上昇
   するところから最大域までの範囲内で行うことを特徴と
   する請求項１又は２に記載の減圧下での除電方法。
4. 【請求項４】真空室内を３１．３ｋＰａ〜１Ｐａまで減
   圧することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の減
   圧下での除電方法。
5. 【請求項５】放電電極にコンデンサを接続し、コンデン
   サを介して交流高電圧を放電電極に印加することを特徴
   とする請求項１、２、３又は４に記載の減圧下での除電
   方法。
6. 【請求項６】放電電極に抵抗を接続し、抵抗を介して交
   流高電圧を放電電極に印加することを特徴とする請求項
   １、２、３又は４に記載の減圧下での除電方法。