JP2007265664A - コロナ放電監視機能付きイオナイザ - Google Patents

Abstract

【課題】高圧電源の極性切換時の残留電圧による影響を速やかに排除してイオン生成を迅速かつ効率良く行うことができると共に、イオン生成状況を精度良く監視することができる、コロナ放電監視機能を備えたイオナイザを提供する。
【解決手段】極性の切換制御をうけて電極針１ａ，１ｂにパルス状高電圧を印加する正極側及び負極側の直流高圧電源２ａ，２ｂと、両高圧電源の出力端子３ａ，３ｂ間に接続され、極性の切換時に両極間の電位差が一定の大きさ以上である期間だけ導通し、切換前の極性による残留電圧を放電させる残留電圧放電回路８と、該放電回路８が非導通となっている期間内の上記両電極針間を流れるイオン生成電流を検出するための検出抵抗Ｒａ，Ｒｂとを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、正極性又は負極性の電荷で帯電しているワーク、例えば半導体関連の各種ワークを除電するためのイオナイザに関するものであり、特に、電極針によるコロナ放電の状態を監視するための機能を備えたイオナイザに関するものである。

正極性又は負極性の電荷で帯電しているワークの帯電量をゼロに近づけるためのイオナイザとして、従来、電極針に直流又は交流の高電圧を印加してコロナ放電を発生させ、該電極針から正又は負のイオンを放出させてワークに吹き付けることにより除電するようにしたものが知られている。

このようなイオナイザにおいては、イオンバランスを保ってワークを効率良く除電するため、イオンの生成状態を常に監視し、把握しておくことが必要である。何らかの原因でイオン生成量が過小になると、ワークを十分に除電することができなくなり、また、正負のイオンのどちらか一方の生成量が過多あるいは過小になると、イオンバランスが崩れ、ワークがどちらかの極性に帯電してしまうおそれがある。

電極針からのイオン生成量が減少する大きな要因として、該電極針の汚れ及び摩耗が挙げられる。このうち電極針の汚れは、該電極針の近傍の空気中に浮遊する塵埃や、該電極針から発生したイオンをワークに吹き付けるために除電装置に供給される加圧空気中の塵埃等が、該電極針の先端に付着することにより生じる現象であって、その付着の度合いは経時的に増加していき、ついにはイオンが生成できなくなってしまう状況に陥る。
一方、電極針の摩耗は、常にコロナ放電にさらされている電極針の先端が、経時的に劣化していくことにより生じるもので、最終的にイオンが生成できなくなることもある。

このように電極針の汚れや摩耗等が生じた場合には、付着した汚れを除去したり、新たな電極針と交換するなどの保守が必要になる。それらの保守作業を行う場合は、イオナイザやそれに関連する設備全体の運転を停止しなければならないため、作業を効率的かつ迅速に行うには、常にイオンの生成状況を監視し、電極針の汚れの除去や交換等行うための時期を正確に知ることが不可欠である。

そこで本発明の目的は、コロナ放電によるイオン生成状況を精度良く監視することができ、特に、その監視に当たって正極側及び負極側の高圧電源の切り換えが行われた場合の残留電圧による影響を受けることのない、高精度のコロナ放電監視機能を備えたイオナイザを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明のイオナイザは、コロナ放電により正負のイオンを放出する正負の電極針と、これらの電極針に接続され、極性の切換制御をうけて対応する電極針にパルス状高電圧を印加する正極側直流高圧電源及び負極側直流高圧電源と、上記両高圧電源の出力端子間に接続され、極性の切換時に両極間の電位差が一定の大きさ以上である期間だけ導通して、切換前の極性による残留電圧を放電させる残留電圧放電回路と、上記両電極針間を流れるイオン生成電流を検出するため上記各高圧電源の低圧側端子と回路グランド間にそれぞれ接続された検出抵抗と、上記放電回路が非導通となった期間内に上記検出抵抗を流れるイオン生成電流から電極針のコロナ放電状況を判定する判定機構とを有することを特徴とするものである。

本発明おいて、上記残留電圧放電回路は、放電抵抗と、一定大きさ以上の電圧により導通状態となる放電制御素子とを、直列に接続することにより構成することができ、上記放電制御素子としては、ツェナーダイオード、サージクランパ、バリスタ、アレスタの何れかを用いることができる。

本発明においては、上記判定機構が、上記検出抵抗の両側の電圧を検出し、その電圧が基準値以下である場合に警報信号を発するように構成されている。

本発明において好ましくは、上記各高圧電源における出力端子と低圧側端子との間にそれぞれ、上記残留電圧放電回路が非導通となったあとの残留電圧の継続放電用及び高圧電源からの出力電圧安定化用として、安定抵抗が接続されていることであり、また、上記各検出抵抗と並列に過電圧保護素子が接続されていることである。

本発明によれば、残留電圧放電回路により、正極側及び負極側の高圧電源の切り換えが行われた場合の残留電圧による影響を速やかに排除してコロナ放電によるイオン生成を迅速かつ効率良く行うことができる。また、上記放電回路が非導通となった期間内の上記両電極針間を流れるイオン生成電流に基づいて電極針のコロナ放電状況を判定するようにしているため、残留電圧の放電に伴う放電電流の影響を受けることなくイオン生成状況を精度良く監視することができる。

図１は本発明に係るコロナ放電監視機能付きイオナイザの一実施形態を示す回路構成図である。このイオナイザは、パルスＤＣ方式のイオナイザであって、コロナ放電により正及び負のイオンを放出する正の電極針１ａ及び負の電極針１ｂと、これらの電極針１ａ，１ｂに正及び負のパルス状高電圧を印加する正極側直流高圧電源２ａ及び負極側直流高圧電源２ｂとを有し、各高圧電源２ａ，２ｂの出力端子３ａ，３ｂに上記電極針１ａ，１ｂがそれぞれ保護抵抗Ｒ１を介して接続されている。上記正負の電極針１ａ，１ｂは、コロナ放電電流の一部が他方の電極針１ｂ，１ａに確実に到達して両電極針間にイオン生成電流Ｉ１（図２及び図３参照）が流れるように、比較的近接した位置に並べて配設されている。

上記高圧電源２ａ，２ｂは、直流電源Ｅａ，Ｅｂに切換用のスイッチＳＷａ，ＳＷｂを介して接続された昇圧トランス駆動回路５と、この駆動回路５に昇圧トランスＴを介して接続された倍圧整流回路６とからなるもので、この倍圧整流回路６は、複数のダイオードＤとコンデンサＣとによって構成され、この倍圧整流回路６で発生するパルス状高電圧を上記電極針１ａ，１ｂに保護抵抗Ｒ１を介して出力するものである。この高圧電源２ａ，２ｂは、図２及び図３に示すように、直流電源記号によって置き換えることができる。

上記高圧電源２ａ，２ｂは、上記スイッチＳＷａ，ＳＷｂが閉じている時のみ動作してパルス状高電圧を電極針１ａ，１ｂに出力するものであり、これらのスイッチＳＷａ，ＳＷｂが開いているときは動作せず、従ってパルス状高電圧は電極針１ａ，１ｂに出力されない。また、正極側高圧電源２ａのスイッチＳＷａと負極側高圧電源２ｂのスイッチＳＷｂとは、それらは同時に開くことがあっても、同時に閉じることがないように出力極性制御回路７によって制御されており、これにより、正極側及び負極側の高圧電源２ａ，２ｂが同時に作動して正負の電極針１ａ，１ｂに同時に高電圧が印加されるという異常動作を回避している。

いま、図１のように正極側のスイッチＳＷａと負極側のスイッチＳＷｂが両方共に開いた状態から、制御回路７によりこれらのスイッチＳＷａ，ＳＷｂが切換制御され、正極側のスイッチＳＷａが閉じると、図２に示すように、正極側の高圧電源２ａが動作して正のパルス状高電圧が正の電極針１ａに出力され、コロナ放電が生じて正のイオン４ａが放出される。このとき、負極側のスイッチＳＷｂは開いているため、負極側の高圧電源２ｂは停止状態にある。
次に、上記正極側のスイッチＳＷａが開き、負極側のスイッチＳＷｂが閉じると、図３に示すように、負極側の高圧電源２ｂが動作して負のパルス状高電圧が負の電極針１ｂに出力され、コロナ放電により負のイオン４ｂが放出される。このとき、正極側の高圧電源２ａは停止している。
かくして、例えば数十Ｈｚ程度の周期で高圧電源２ａ，２ｂの極性切換制御が行われることにより、２つの電極針１ａ，１ｂから正負のイオン４ａ，４ｂが交互に放出され、帯電したワークＷの除電が行われる。

ここで、上記のように正負の高圧電源２ａ，２ｂの極性切換制御が行われる場合、切換前の極性の電極針は切換後の極性の電極針の対向電極の役割を果たすので、急峻にグランド電位にしなくてはならない。
上記残留電圧が放電によって徐々にグランド電位に至れば、所望の極性のイオンが発生するが、それまでの期間はイオンが殆ど発生しないため除電効率が低下してしまう。
従って、より短い周期で極性の切り換えを行った場合、残留電圧の影響でイオンが発生する前に極性が切り換わってしまう可能性があり、結果的にイオンが全く発生しないか殆ど発生しない状態にもなりかねない。

そこで、このような事態を回避するため、上記両高圧電源２ａ，２ｂの出力端子３ａ，３ｂ間には、極性の切換時に切換前の極性による残留電圧を急峻に放電させるための残留電圧放電回路８が接続されている。この残留電圧放電回路８は、放電抵抗Ｒ２と、一定大きさ以上の電圧が加わったときに導通する放電制御素子９とを、直列に接続することにより構成されるもので、極性の切換時に、切換前の極性の残留電圧と切換後の極性の出力電圧とで生じる両極間の電位差が一定の大きさ以上である期間にだけ導通状態となり、放電抵抗Ｒ２を通じて放電電流Ｉ２を流すことにより上記残留電圧を急峻に放電させるものである。放電によって残留電圧が低下し、上記電位差が放電制御素子９の導通電圧以下になると、残留電圧放電回路８は非導通状態になり、この残留電圧放電回路８を流れる放電電流Ｉ２はゼロになる。図２及び図３にはこのときの放電電流Ｉ２の流れるルートが示されている。この図２及び図３において、Ｄ０は、高圧電源２ａ，２ｂ停止時の等価ダイオードを示し、Ｃ０は、同等価容量を示している。

図示した例では、上記放電制御素子９にツェナーダイオードが用いられていて、上記導通電圧であるツェナー電圧ＶＺは、正極側高圧電源２ａの出力電圧を＋Ｅ（Ｖ）とし、負極側高圧電源２ｂの出力電圧を−Ｅ（Ｖ）とし、各電圧値の大きさが等しいとした場合、Ｅ＜ＶＺ＜２Ｅであるように設定されている。
しかし、上記放電制御素子９としては、特定の電圧以上で導通する他の素子、例えばサージクランパや、バリスタ、アレスタ等を用いることもできる。

かくして上記残留電圧放電回路８を設けることにより、極性の切換時に切換前の極性による残留電圧を急峻に放電させることが可能になり、この結果、短い周期で極性の切り換えを行っても、正負の電極針１ａ，１ｂにおけるコロナ放電を迅速かつ確実に生じさせて正負のイオンを効率よく放出させることができる。
また、同時にこの残留電圧放電回路８は、残留電圧の放電後に放電電流Ｉ２を遮断することにより、この放電電流Ｉ２がイオン生成電流Ｉ１の測定に影響を及ぼさないようにするものである。このイオン生成電流Ｉ１の測定については以下に詳述する。

即ち、上述したように正負の電極針１ａ又は１ｂからイオンが放出されているとき、コロナ放電電流の一部が他方の電極針に移動することにより両電極針間にイオン生成電流Ｉ１が流れる。このイオン生成電流Ｉ１は、イオンの生成量にほぼ比例するもので、電極針１ａ，１ｂの汚れや摩耗等によって放電状態が変化すると、その電極針１ａ，１ｂからのイオンの放出量が減少してイオン生成電流Ｉ１も減少する。従って、このイオン生成電流Ｉ１を検出してその変化を監視することにより、各電極針１ａ，１ｂにおけるコロナ放電の状態（イオン生成状態）を知ることができる。例えば、上記イオン生成電流Ｉ１が減少した場合には、電極針１ａ，１ｂの汚れ又は摩耗が生じたものと判断し、警報を発して作業者に対して汚れの除去や電極針の交換等を促すことができ、また、イオン生成電流Ｉ１が増加した場合には、イオン生成過多又は放電異常と判断し、高圧電源２ａ，２ｂの出力を停止させたり作業者に警報を発するように構成することができる。

このため、上記正極側高圧電源２ａと負極側高圧電源２ｂとにおける低圧側端子１０ａと１０ｂとの間には、上記イオン生成電流Ｉ１を検出するための第１及び第２の電流検出抵抗Ｒａ及びＲｂが接続され、両検出抵抗Ｒａ及びＲｂの中間点が回路グランドに接地されている。即ち、正極側高圧電源２ａの低圧側端子１０ａと回路グランドとの間に第１検出抵抗Ｒａが接続され、負極側高圧電源２ｂの低圧側端子１０ｂと回路グランドとの間に第２検出抵抗Ｒｂが接続されている。

いま、図２に示すように、極性の切り換えによって負極側の高圧電源２ｂが停止状態に切り換わると共に、正極側の高圧電源２ａが動作状態に切り換わった場合、この正極側の高圧電源２ａから正のパルス状高電圧が正の電極針１ａに向けて出力されるため、この電極針１ａから正のイオンが放出される。そして、コロナ放電電流の一部が負の電極針１ｂに達することにより正負の電極針１ａ，１ｂ間にはイオン生成電流Ｉ１が発生し、この電流が上記第１及び第２の検出抵抗Ｒａ及びＲｂを流れる。

一方、上記極性切換時に、正負の電極間の電位差が大きい場合、即ち、負極側の残留電圧と切換後の正極側の出力電圧との電位差が上記放電制御素子９（ツェナーダイオード）が導通するための導通電圧（ツェナー電圧ＶＺ）より大きい場合には、上記残留電圧放電回路８が導通状態となって放電電流Ｉ２が流れ、残留電圧は瞬時に放電される。そして、放電により残留電圧が低下し、上記電位差が導通電圧以下になると、上記残留電圧放電回路８は非導通状態となり、上記検出抵抗Ｒａ，Ｒｂを流れる放電電流Ｉ２も遮断されてゼロになる。

従って、上記放電電流Ｉ２がゼロになったあとの期間、つまり、極性が切り換わったあと残留電圧が放電されて安定した状態となった期間内においては、上記検出抵抗Ｒａ，Ｒｂに流れる電流は上記イオン生成電流Ｉ１のみである。そこで、この期間内の例えば第２検出抵抗Ｒｂを流れるイオン生成電流Ｉ１を検出することにより、正極側の電極針１ａによる放電状態を、上記放電電流Ｉ２の影響を受けることなく正確に知ることができる。

また、図３に示すように、正極側の高圧電源２ａが停止状態に切り換わると共に、負極側の高圧電源２ｂが動作状態に切り換わった場合についても、上述した場合と同様に、上記放電電流Ｉ２がゼロになったあとの期間、つまり、極性が切り換わったあと残留電圧が放電されて安定した状態となった期間内においては、上記検出抵抗Ｒａ，Ｒｂを流れる電流は上記イオン生成電流Ｉ１のみとなるので、この期間内の例えば第１検出抵抗Ｒａを流れるイオン生成電流Ｉ１を監視することにより、負極側の電極針１ｂによる放電状態を正確に知ることができる。

上記イオン生成電流Ｉ１を監視する具体的手段として、上記検出抵抗Ｒａ，Ｒｂには、判定回路１３がそれぞれ接続されている。この判定回路１３は、上記検出抵抗Ｒａ，Ｒｂを流れるイオン生成電流Ｉ１を、該検出抵抗Ｒａ，Ｒｂによって生ずる電圧降下、即ち該検出抵抗Ｒａ，Ｒｂの両端間の電位差（電圧）として検出し、その値を基準値（しきい値）と比較することにより、放電状態の良否を判定して各種信号で作業者等に知らせるものである。具体的には、上記電圧が基準値以下である場合には、イオン生成過小と判断して警報器１７等を介して警報信号を発することにより、作業者に電極針１ａ，１ｂの汚れの除去や電極針１ａ，１ｂの交換等を促し、基準値以上である場合には、イオン生成過多又は放電異常と判断し、高圧電源２ａ，２ｂの出力を停止させる停止信号を出力すると同時に、警報信号を発するように構成される。

上記基準値は複数設定することもでき、これにより、例えば放電状態を、Ａランク（標準）、Ｂランク（危険）、Ｃランク（不良）といったようにランクを付けて判定し、各種信号で作業者等に知らせることもできる。

図４には、上記判定回路１３の具体例が示されている。この判定回路１３は、各検出抵抗Ｒａ，Ｒｂの両端に接続されたオペアンプ１４と、このオペアンプ１４からの出力と基準値設定器１６で設定される基準値とを比較するコンパレータ１５とからなっていて、このコンパレータ１５からの出力信号を受けて警報器１７が作業者に向けて警報を発するようになっている。

上記基準値設定器１６は、異なる大きさの基準電圧を発生する複数の電圧発生源１９を有していて、スイッチ２０でこれらの電圧発生源１９をコンパレータ１５に選択的に接続することにより、上記比較を行うようになっている。
しかし、上記コンパレータ１５の代わりに、あるいは該コンパレータ１５と共に、アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータを内蔵する制御装置（ＣＰＵ）を設け、この制御装置から必要な制御信号を出力してイオナイザやその関連機器等を制御するように構成することもできる。

なお、上記放電電流Ｉ２は、必要であれば、上記放電抵抗Ｒ２の両端の電位差を検出することにより把握することができ、この電位差がゼロとなって放電電流Ｉ２がゼロになったことが検出されたときの検出信号により、上記判定回路１３による上述した判定を行うように構成することもできる。もちろん、その他の適宜方法で判定回路１３による判定のタイミングを設定することも可能である。

上記実施形態においては、正極側の高圧電源２ａ及び電極針１ａが動作して正のイオンが放出されているときの放電状態の監視を、第２検出抵抗Ｒｂの電圧降下を検出することにより行い、負極側の高圧電源２ｂ及び電極針１ｂが動作して負のイオンが放出されているときの放電状態の監視を、第１検出抵抗Ｒａの電圧降下を検出することにより行うようにしているが、それとは逆に、正極側の高圧電源２ａ及び電極針１ａが動作している状態での放電状態の監視を、第１検出抵抗Ｒａの電圧降下を検出することにより行い、負極側の高圧電源２ｂ及び電極針１ｂが動作している状態での放電状態の監視を、第２検出抵抗Ｒｂの電圧降下を検出することにより行うこともできる。しかし、後者の場合は、イオンを放出している電極針の地絡等が発生した場合に、その電流は、正極時に第１検出抵抗Ｒａ、及び負極時に第２検出抵抗Ｒｂのみを流れるので、そちらの電圧降下を監視したほうが望ましい。

上記各高圧電源２ａ，２ｂにおける出力端子３ａ，３ｂと低圧側端子１０ａ，１０ｂとの間には、図示したように、上記残留電圧放電回路８が非導通となったあとも引き続いて残留電圧を継続放電させる目的と、該高圧電源２ａ，２ｂからの出力電圧を安定化させる目的のため、安定抵抗Ｒ３を接続することが望ましい。この安定抵抗Ｒ３を流れる電流は上記検出抵抗Ｒａ，Ｒｂを流れないため、上述した放電状態の監視に影響を及ぼすことはない。

また、上記各検出抵抗Ｒａ，Ｒｂと並列にツェナーダイオード等の過電圧保護素子２１を接続しておくことが望ましく、これにより、極性切換時の急峻な放電電流Ｉ２により各検出抵抗Ｒａ，Ｒｂが過度的ストレスを受けるのを防止したり、過度電圧が上記判定回路１３に加わるのを防止することができる。

図５には、正負の高圧電源２ａ，２ｂの極性切換制御が交互に行われる場合の、両高圧電源２ａ，２ｂの出力端子３ａ，３ｂにおける出力電圧波形と、上記残留電圧放電回路８による放電電流Ｉ２の波形、及びイオン生成電流Ｉ１の波形が示されている。
また、比較例として、図６には、上記残留電圧放電回路８が放電抵抗Ｒ２のみで形成されていて、上記放電制御素子９を備えていない場合の同様の波形が示されている。この比較例から、上記放電制御素子９がない場合、高電圧源の極性が切り換わったあとも、作動が停止した高圧電源における倍圧整流回路を構成するダイオードＤを介して放電抵抗Ｒ２がグランドに接続されることから、放電電流Ｉ２が流れ続けることが分かる。

かくして上記イオナイザによれば、残留電圧放電回路８により、正極側及び負極側の高圧電源２ａ，２ｂの切り換えが行われた場合の残留電圧による影響を速やかに排除してコロナ放電によるイオン生成を迅速かつ効率良く生じさせることができる。また、上記残留電圧放電回路８が非導通となっている期間内の両電極針間を流れるイオン生成電流Ｉ１を検出することにより、残留電圧の放電に伴う放電電流Ｉ２の影響を受けることなく、コロナ放電に伴うイオン生成の状況を精度良く監視することができる。

本発明に係るイオナイザの一実施形態を示す回路構成図である。 図１における正イオン放出時の電流ルートを示す等価回路図である。 図１における負イオン放出時の電流ルートを示す等価回路図である。 判定回路の具体例を示す回路図である。 本発明において極性切換時の各部の波形を示す線図である。 本発明不実施の比較例として極性切換時の各部の波形を示す線図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ 電極針
２ａ，２ｂ 高圧電源
３ａ，３ｂ 出力端子
４ａ，４ｂ イオン
５ 昇圧トランス駆動回路
６ 倍圧整流回路
７ 出力極性制御回路
８ 残留電圧放電回路
９ 放電制御素子
１０ａ，１０ｂ 低圧側端子
１３ 判定回路
２１ 過電圧保護素子
Ｒａ，Ｒｂ （電流）検出抵抗
Ｒ２ 放電抵抗
Ｒ３ 安定抵抗
Ｉ１ イオン生成電流
Ｉ２ 放電電流
Ｔ 昇圧トランス
Ｒ１ 保護抵抗

Claims (6)

1. コロナ放電により正負のイオンを放出する正負の電極針と、
   これらの電極針に接続され、極性の切換制御をうけて対応する電極針にパルス状高電圧を印加する正極側直流高圧電源及び負極側直流高圧電源と、
   上記両高圧電源の出力端子間に接続され、極性の切換時に両極間の電位差が一定の大きさ以上である期間だけ導通して、切換前の極性による残留電圧を放電させる残留電圧放電回路と、
   上記両電極針間を流れるイオン生成電流を検出するため、上記各高圧電源の低圧側端子と回路グランド間にそれぞれ接続された検出抵抗と、
   上記放電回路が非導通となった期間内に上記検出抵抗を流れるイオン生成電流から電極針のコロナ放電状況を判定する判定機構と、
   を有することを特徴とするコロナ放電監視機能付きイオナイザ。
2. 上記残留電圧放電回路が、放電抵抗と、一定大きさ以上の電圧により導通状態となる放電制御素子とを、直列に接続することにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオナイザ。
3. 上記放電制御素子が、ツェナーダイオード、サージクランパ、バリスタ、アレスタのうちの何れか一つであることを特徴とする請求項２に記載のイオナイザ。
4. 上記判定機構が、上記検出抵抗の両側の電圧を検出し、その電圧が基準値以下である場合に警報信号を発するように構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れかにに記載のイオナイザ。
5. 上記各高圧電源における出力端子と低圧側端子との間に、それぞれ、上記残留電圧放電回路が非導通となったあとの残留電圧の継続放電用及び高圧電源からの出力電圧安定化用として、安定抵抗が接続されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のイオナイザ。
6. 上記各検出抵抗と並列に過電圧保護素子が接続されていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のイオナイザ。

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