JP2010210385A - 高感度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ファラデーケージを用いた粉粒体等の帯電量の測定において、帯電量に応じて変化する電圧を高感度に測定する高感度測定装置を提供する。
【解決手段】 ３軸ケーブル５の中心導体５１の一端を、導電体で構成され、帯電量を測定しようとするチップ抵抗６を収容する内部容器２に接続し、中心導体５１の他端を電圧計４２に接続する。また、３軸ケーブル５の外部シールド５５の一端を、導電体で構成され、内部容器２と絶縁された状態で内部容器２を収容するとともに、接地される外部容器１と接続し、外部シールド５５の他端を電圧計４２に接続する。さらに、オペアンプ４１の正極入力端子に中心導体５１を接続し、出力端子を自身の負極入力端子に接続するとともに、出力端子を内部シールド５３に接続する。
【選択図】 図６

Description

ファラデーケージを用いた粉粒体等の測定対象物の帯電量の測定に関するものであり、特に、帯電量を高感度に測定することが可能な高感度測定装置に関するものである。

従来、トナーなど粉末の測定対象物の帯電量を測定する方法の１つに、ファラデーケージを用いた測定方法がある。この測定方法では、具体的には、導電体で構成され接地された外部容器に、導電体で構成された内部容器を絶縁した状態で収容し、外部容器と内部容器とでコンデンサを形成する。内部容器に測定対象物が投入されると、測定対象物の電荷が内部容器に移動する。これにより、内部容器と外部容器との間の電圧が変化する。この電圧（以下、ファラデーケージの電圧ということがある）を測定し、測定した電圧と形成したコンデンサの静電容量（以下、ファラデーケージの静電容量ということがある）とから「帯電量＝静電容量×電圧」により帯電量を求める。

このようなファラデーケージを用いた帯電量測定装置の従来技術として、たとえば、特許文献１がある。特許文献１に記載の従来の帯電量測定装置は、試料室に収容された試料粉末をブロワーにより圧送し、送風口から導入された空気または不活性ガスの流れにより、輸送部に移送する。輸送部の管内壁には複数の邪魔板を設けられており、試料粉末は、輸送部を通過する際に、邪魔板と衝突して帯電する。試料粉末は、帯電しながら輸送部を通過してフィルタに滞留する。フィルタに滞留した試料粉末は、アイソレータによって静電気が除去されてファラデーケージの内部容器に収容される。このときのファラデーケージの電圧を電圧計により測定し、コンピュータが、測定した電圧を用いて試料粉末の帯電量を計算する。

上記特許文献１に記載の従来の帯電量測定装置は、２００〜３００μｍの粒径の小さな試料について、１グラム当たりの帯電量を測定可能としている。

特開２００１−１２４７２８号公報

ところで、近年では、より微小な帯電量の測定、たとえば、チップ抵抗やチップコンデンサなどのチップ部品１個の帯電量の測定が要求されている。チップ部品はテープに収納され、マウンタによってテープを剥離してチップ部品を取り出して基板に実装される。しかしながら、テープを剥離する際にチップ部品が誘導帯電してチップ部品の向きが変わってしまうことがあり、実装に不具合が生じることがある。この原因を追究するために、テープの剥離によるチップ部品毎の微小な帯電量の測定が求められている。

また、高価な粉末薬品の帯電の原因を探るような場合には、そのためのコストを低減するために、帯電量の測定に必要な粉末薬品の量をできるだけ少なくすることが求められている。

上記特許文献１に記載の従来技術のファラデーケージによる帯電量の測定は、前記した如く、ファラデーケージの電圧を測定して、「帯電量＝静電容量×電圧」により帯電量を求める。この場合、ファラデーケージの静電容量が一定値であるので、測定対象物の帯電量が少なくなるほど、測定する電圧が小さくなる。そして、測定する電圧が低くなり過ぎると、その電圧を電圧計で精度よく測定することが困難となる。したがって、微小な帯電量を測定するためには、ファラデーケージの静電容量を小さくすることが望ましい。

ところが、詳細は後述するが、本願発明者の種々様々の実験、検討によれば、ファラデーケージの静電容量を小さくすると、特にファラデーケージと電圧計とを接続するケーブルの容量成分が測定電圧に大きく影響して、帯電量の精度のよい測定ができないことが判明した。

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術では、微小な帯電量を測定しようとする場合、ファラデーケージと電圧計とを接続するケーブルの容量成分が及ぼす影響がなんら考慮されていない。そのため、上記特許文献１に記載の従来技術では、微小な帯電量を測定するために、ファラデーケージの静電容量を小さくしても、ファラデーケージと電圧計とを接続するケーブルの容量成分の影響を受け、微小な帯電量を精度よく測定することができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ファラデーケージを用いた粉粒体等の測定対象物の帯電量の測定において、帯電量を高感度に測定することが可能な高感度測定装置を得ることを目的とする。

上述したように、測定対象物を収容する導電体の内部容器と、この内部容器と絶縁された状態で内部容器を収容するとともに接地される導電体の外部容器とで構成されるファラデーケージを用いて測定対象物の帯電量を測定する場合、測定対象物が内部容器に収容された際の内部容器と外部容器との間の電圧を測定し、下記の（式１）によって帯電量を求めることが一般的である。
Ｑ＝ＣＶ … （式１）
なお、上記（式１）では、Ｑが測定対象物の帯電量であり、Ｃがファラデーケージの静電容量であり、Ｖがファラデーケージの電圧である。

ここで、測定対象物、たとえば、チップ抵抗１個の帯電量Ｑが一定であるとした場合、ファラデーケージの静電容量Ｃが大きくなると電圧Ｖが小さくなる。したがって、微小な帯電量Ｑを測定するためには、ファラデーケージの静電容量Ｃをできるだけ小さくして、測定する電圧Ｖの値が小さくなりすぎないようにする必要がある。

一方、ファラデーケージを用いた測定対象物の帯電量の測定では、同軸ケーブル（２軸ケーブル）などのケーブルによって内部容器および外部容器と電圧計を接続して電圧Ｖを測定することが一般的である。しかしながら、微小な帯電量Ｑを測定するために、ファラデーケージの静電容量Ｃを、例えば８［ｐＦ］程度というような小さな容量に設定した場合には、電圧計で測定される電圧Ｖが、前記（式１）の関係に従う値（＝Ｑ／Ｃ）とならず、当該値に比較して測定される電圧Ｖが小さくなりすぎるという現象が本願発明者により実験的に確認された。そして、種々様々な実験、検討によって、その原因を追求した結果、特に、前記ケーブルの容量成分が、測定電圧に大きな影響を及ぼすことが判明した。

すなわち、前記ケーブルの容量成分は、等価的には、外部容器と内部容器とで構成されたコンデンサと並列に接続されることとなると考えられる。そして、ファラデーケージの静電容量Ｃを小さな容量に設定した場合には、該静電容量Ｃに比して、前記ケーブルの容量成分が相対的に大きなものとなる。このため、電圧計側からみた実質的な静電容量、すなわちファラデーケージとケーブルとを合わせた系の静電容量は、ケーブルの容量成分に対する依存性が高まり、該ファラデーケージ単体の本来の静電容量Ｃに比して大きな静電容量となる。つまり、ファラデーケージの静電容量Ｃを小さくしても、電圧計側から見た実質的な静電容量は、ケーブルの容量成分の影響によって、さほど小さくはならないと考えられる。その結果、前記ケーブルを介して実際に測定される電圧が前記（式１）の関係に従う値（＝Ｑ／Ｃ）に比して小さくなってしまうと考えられる。

この発明における高感度測定装置は、微小な帯電量の測定において、特にファラデーケージと電圧計とを接続するケーブルの容量成分が大きく影響していることに着目して、ケーブルの容量成分の影響を抑える方策をとることによって帯電量を高感度に測定するものである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる高感度測定装置は、導電体で構成され、帯電量を測定しようとする測定対象物を収容する内部容器と、導電体で構成され、前記内部容器と絶縁された状態で該内部容器を収容するとともに、接地される外部容器と、中心導体と、該中心導体の周りに配置される内部シールドと、該内部シールドの周りに配置される外部シールドとを互いに絶縁した状態で備える３軸ケーブルと、前記外部容器の外部に配置され、前記内部容器および前記外部容器と前記３軸ケーブルによって接続され、前記外部容器と前記内部容器との間の電圧を測定する測定手段とを備え、前記３軸ケーブルの中心導体と前記内部容器とが接続され、前記３軸ケーブルの外部シールドと前記外部容器とが接続され、前記測定手段は、正極入力端子と、負極入力端子と、出力端子とを有し、前記正極入力端子が前記３軸ケーブルの中心導体と接続され、前記出力端子が前記負極入力端子および前記３軸ケーブルの内部シールドと接続されるオペアンプと、前記３軸ケーブルの中心導体と、前記３軸ケーブルの外部シールドとに接続されて、該中心導体と該外部シールドとの間の電圧を前記外部容器と前記内部容器との間の電圧として測定する電圧測定手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、中心導体と、中心導体の周りに配置される内部シールドと、内部シールドの周りに配置される外部シールドとを互いに絶縁した状態で備える３軸ケーブルの中心導体の一端を、導電体で構成され、帯電量を測定しようとする測定対象物を収容する内部容器に接続し、３軸ケーブルの中心導体の他端を電圧測定手段に接続する。また、３軸ケーブルの外部シールドの一端を、導電体で構成され、内部容器と絶縁された状態で内部容器を収容するとともに、接地される外部容器と接続し、外部シールドの他端を電圧測定手段に接続する。

さらに、電圧測定手段により、オペアンプの正極入力端子に３軸ケーブルの中心導体を接続し、オペアンプの出力端子を自身の負極入力端子に接続するとともに、出力端子を３軸ケーブルの内部シールドに接続する。これにより、ボルテージフォロワを構成し、３軸ケーブルの中心導体と内部シールドとが互いに実質的に絶縁された状態で同電位となる。よって、３軸ケーブルの容量成分がキャンセルされる。このため、外部容器と内部容器とで構成されるコンデンサの静電容量Ｃを小さくしても、電圧測定手段で測定される電圧を、３軸ケーブルの容量成分の影響を受けることなく、上記静電容量Ｃと、内部容器に収容される測定対象物の帯電量とにより規定される外部容器と内部容器との間の電圧Ｖ（＝Ｑ／Ｃ）に精度よく合致させることができる。このため、内部容器に収容される測定対象物の帯電量が微小であっても、電圧測定手段で測定される電圧Ｖを、該帯電量Ｑに適正に比例する値とすることができるとともに、その値を精度よく測定し得る程度に十分な大きさを有する値にすることができる。ひいては、内部容器に収容される測定対象物の帯電量Ｑが微小であっても、上記の測定電圧から、該帯電量を精度よく測定できることとなる。よって、外部容器および内部容器によって構成されるファラデーケージを用いた粉粒体等の帯電量の測定において、帯電量を高感度に測定することが可能な高感度測定装置を得ることができる。

上記の発明において、前記外部容器は、前記内部容器を載置する絶縁体からなる台座を備え、前記台座は、前記内部容器と接触する部分に導電体からなる支持部材が設けられていることが好ましい。

この発明によれば、外部容器は、内部容器と接触する部分に導電体からなる支持部材が設けられた絶縁体からなる台座を備えるようにしている。

これにより、外部容器に取り付けられた絶縁体からなる台座に内部容器を載置する際に、内部容器と台座とが直接的に接触することがなくなる。そのため、台座と内部容器との摩擦によって生じる電荷に起因して内部容器と外部容器との間の電圧が変化してしまうことを防止することを可能とし、台座と内部容器との摩擦によって生じる電荷の影響を受けることなく、測定対象物の帯電量を高感度に測定することが可能な高感度測定装置を得ることができる。

上記の発明において、前記内部容器および前記外部容器は、有底筒状の容器であり、導電体で構成され、前記外部容器の上端に着脱自在に装着される外部容器蓋をさらに備え、前記外部容器蓋は、前記測定対象物を前記外部容器上方から前記内部容器に投入可能であって、かつ前記外部容器の開口より小径の穴が設けられていることが好ましい。

この発明によれば、内部容器を収容する有底筒状の外部容器の上端に着脱自在に外部容器に装着される、導電体で構成され、測定対象物を外部容器上方から内部容器に投入可能であって、かつ外部容器の開口より小径の穴を設けた外部容器蓋を設けるようにしている。

これにより、外部容器の上方からの電気力線の進入を抑制し、外部容器のシールド効果を高めることができる。ひいては、外部容器蓋を設けない場合と比較して、測定対象物の帯電量をより高感度に測定することが可能な高感度測定装置を得ることができる。

上記の発明において、前記外部容器と前記内部容器との間の静電容量の値と、前記電圧測定手段により測定された電圧とに基づいて、前記測定対象物の帯電量を算出する帯電量算出手段をさらに備えることが好ましい。

この発明によれば、帯電量算出手段が、外部容器と内部容器との間の静電容量の値と、電圧測定手段が、外部容器と内部容器との間の電圧として測定した３軸ケーブルの外部シールドと中心導体との間の電圧とに基づいて、測定対象物の帯電量を算出するようにしている。この場合、測定対象物の帯電量が微小なものであっても、電圧測定手段が測定した電圧の値は、前記したように、測定対象物の帯電量を、外部容器と内部容器とで構成されるコンデンサの静電容量で除算してなる電圧に精度よく合致する。このため、測定対象物の帯電量が微小なものであっても、電圧測定手段が測定した電圧の値から正確な帯電量を算出することができる。

本発明の高感度測定装置の構成を示す図。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図。 図１に示したファラデーケージの外部容器蓋の平面図。 図１に示した３軸ケーブルの構成を示す図。 図１に示した測定部の構成を示す図。 ファラデーケージの外部容器蓋の断面図。

以下に、この発明にかかる高感度測定装置の実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１〜図３において、この発明の高感度測定装置は、帯電量を測定しようとする測定対象物であるチップ抵抗６を収容する内部容器２と、内部容器２と絶縁された状態で内部容器２を収容する外部容器１と、外部容器１の外部に配置され、内部容器２および外部容器１と３軸ケーブル５で接続され、外部容器１と内部容器２との間の電圧を測定してチップ抵抗６の帯電量を求める測定部４とを備えている。

外部容器１および内部容器２は、少なくとも表面が、ステンレスや、モリブデン綱が含まれる金属などの導電性を有する材質で構成された有底筒状（有底の円筒状）の容器である。本実施形態では、外部容器１および内部容器２は、例えばその全体がステンレスにより構成されている。

外部容器１の内側には、絶縁体からなる複数の台座１１が、ねじ１２によって取り付けられている。これらの台座１１は、本実施形態では、外部容器１の底部と間隔を存する高さで、該外部容器１の側壁から中心部に向かって放射状に延在し、それらの先端部が外部容器１と同軸心の円周上に等角度間隔で並ぶようにして配置されている。そして、各台座１１の外部容器１寄りの基端部が、ねじ１２によって外部容器１の側壁に固定されている。これらの台座１１は、内部容器２を載置するためのもので、外部容器１の軸心と内部容器２の軸心とがほぼ一致する状態で、台座１１の先端部上に内部容器２を載置することが可能となっている。

また、台座１１の材質としては、テフロン（登録商標）、ポリスチレン、サファイアなどの絶縁性の高い材質が挙げられる。ポリスチレンは、水分に弱く、湿度の変化によって抵抗値が変化する。また、サファイアはテフロン（登録商標）やポリスチレンと比較して、コストが高い。したがって、台座１１の材質は、撥水性が高く、ポリスチレンと比較して、湿度の変化による抵抗値の変化が少なく、サファイアと比較してコストが低いテフロン（登録商標）を用いることが好ましい。

各台座１１の先端部には、内部容器２と接触する部分（先端部の上面部分）に導電体からなる支持部材１３が、導電性を有するねじ１４によって取り付けられている。さらに詳細には、各支持部材１３は、各台座１１の先端部の上面にねじ１４によって水平姿勢で固定された水平部１３ａと、この水平部１３ａの外端部（外部容器１の軸心と反対側の端部）から起立する起立部１３ｂとを有するＬ字型の部材である。そして、内部容器２は、その底部の周縁部を各支持部材１３の水平部１３ａに接触させ、かつ内部容器２の側壁の下部を各支持部材１３の起立部１３ｂの内面に接触させた状態で、台座１１の先端部上に支持部材１３を介して載置される。この場合、内部容器２と各台座１１との間には支持部材１３が介在し、内部容器２は、台座１１に対して非接触状態となる。このように台座１１に内部容器２を載置することにより、内部容器２はフローティング状態となり、外部容器１と内部容器２とでコンデンサを形成し、ファラデーケージを構成する。外部容器１と内部容器２とで形成するコンデンサの静電容量は、例えば、８〜１０［ｐＦ］程度に設定されている。外部容器１の直径を１８０［ｍｍ］、内部容器２の直径を５０［ｍｍ］とすると、概ね８［ｐＦ］の静電容量を実現でき、外部容器１の直径を１８０［ｍｍ］、内部容器２の直径を７５［ｍｍ］とすると、概ね１０［ｐＦ］の静電容量を実現できる。

外部容器１には、導電体で構成される外部容器蓋３が、外部容器１の上端に着脱自在に装着されている。図４は、外部容器蓋３の平面図である。図４において、この外部容器蓋３は、概略円板状に形成され、その周縁部を外部容器１の上端周縁に載せることで、該外部容器１を閉蓋する。そして、この外部容器蓋３の中心部には、チップ抵抗６を外部容器１の上方から内部容器２に投入可能であって、かつ外部容器１の開口より小径の穴３ａが開設されている。図４においては、内部容器２の開口とほぼ同じ大きさの穴３ａが開設されている。

図１〜図３に戻って、外部容器１の側壁にはコネクタ７が取り付けられ、このコネクタ７に３軸ケーブル５が接続されている。図５は、３軸ケーブル５の構成を示す図である。図５において、３軸ケーブル５は、中心導体５１と、中心導体５１の周りに配置される絶縁体からなる絶縁体５２と、絶縁体５２の周りに配置される金属偏組からなる内部シールド５３と、内部シールド５３の周りに配置される絶縁体からなる絶縁体５４と、絶縁体５４の周りに配置される金属偏組からなる外部シールド５５と、外部シールド５５の周りに配置され、中心導体５１、絶縁体５２、内部シールド５３、絶縁体５４、および外部シールド５５を保護する外部ジャケット５６で構成される、いわゆるトライアキシャルケーブルである。

図１〜図３に戻って、３軸ケーブル５の一端は、コネクタ７を介して外部容器１と内部容器２とに接続されている。さらに詳細には、３軸ケーブル５の中心導体５１は、導線９１と導線９１を保護するチューブ９２からなる接続線９の導線９１の一端にコネクタ７を介して接続される。接続線９の導線９１の他端は、台座１１に支持部材１３の一端を接続する前記ねじ１４のうちの１つに台座１１の下側で接続され、該ねじ１４に螺合されたナット１５で固定される。内部容器２は、支持部材１３に接触するように台座１１に載置されるので、結果的に３軸ケーブル５の中心導体５１は内部容器２とねじ１４および支持部材１３を介して導通される。

また、３軸ケーブル５の外部シールド５５は、コネクタ７を介して外部容器１に接続される。外部容器１は外部シールド５５ともに接地されている。３軸ケーブル５の内部シールド５３は、内部容器２および外部容器１の何れにも未接続となっている。３軸ケーブル５の他端は、コネクタ８によって測定部４に接続される。測定部４側の３軸ケーブル５の詳細な接続は後述する。

図６は、図１に示した測定部４の構成を示す図である。図６では、３軸ケーブル５と測定部４との接続関係は、測定部４側のコネクタ８を省略し、３軸ケーブル５の中心導体５１、内部シールド５３、および外部シールド５５の接続のみを示している。

図６において、測定部４は、オペアンプ４１と、電圧計４２と、帯電量算出部４３とを備えている。オペアンプ４１は、正極入力端子、負極入力端子、および出力端子を備えている。オペアンプ４１の正極入力端子は、３軸ケーブル５の中心導体５１と接続されている。また、オペアンプ４１の負極入力端子は、自身の出力端子と接続されている。オペアンプ４１の出力端子は、負極入力端子に接続されるとともに、３軸ケーブル５の内部シールド５３と接続されている。すなわち、オペアンプ４１は、ボルテージフォロワを構成しており、出力端子を３軸ケーブル５の内部シールド５３に接続することで中心導体５１と内部シールド５３とを同電位に保持する。これにより、３軸ケーブル５の容量成分をキャンセルし、電圧測定における３軸ケーブル５の実質的な静電容量を内部容器２と外部容器１とで構成するコンデンサの静電容量と比較して無視できる値とすることができる。

電圧計４２は、高入力抵抗、たとえば入力抵抗が１０^１４［Ω］程度の電圧計４２で、電圧計４２の一方の入力端子は、３軸ケーブル５の中心導体５１と接続され、他方の入力端子は、３軸ケーブル５の外部シールド５５と接続されている。３軸ケーブル５の中心導体５１は、上述したように、コネクタ７、接続線９、および支持部材１３を介して、支持部材１３に接地された内部容器２と接続されている。また、３軸ケーブル５の外部シールド５５は、上述したように、コネクタ７を介して接地された外部容器１と接続される。したがって、電圧計４２は、チップ抵抗６が内部容器２に投入された状態での３軸ケーブル５の中心導体５１と外部シールド５５との間の電圧を測定することで、結果的にチップ抵抗６が内部容器２に投入された状態での外部容器１と内部容器２との間の電圧を測定する。

帯電量算出部４３は、チップ抵抗６が内部容器２に投入された状態で電圧計４２によって測定される外部容器１と内部容器２との間の電圧と、外部容器１と内部容器２とが構成するコンデンサの予め定められた静電容量とに基づいて、チップ抵抗６の帯電量を算出する。

つぎに、この発明の高感度測定装置の動作について説明する。図示しないフィーダーが、外部容器１の上方から内部容器２にチップ抵抗６を投入する。外部容器１は接地されており、絶縁体からなる台座１１に支持部材１３を介して載置された内部容器２は、フローティング状態である。そのため、帯電したチップ抵抗６が投入されると、チップ抵抗６の電荷が内部容器２側に移動する。これにより、外部容器１と内部容器２との間の電圧が変化し、この電圧が、支持部材１３、接続線９、コネクタ７、および３軸ケーブル５を通じて、電圧計４２に到達する。電圧計４２は、３軸ケーブル５の測定部４側の一端側での中心導体５１と外部シールド５５との間の電圧を、内部容器２と外部容器１との間の電圧として測定する。電圧計４２は、測定した電圧の値を電圧情報として帯電量算出部４３に出力する。帯電量算出部４３は、電圧計４２から入力された電圧情報と部容器１と内部容器２とで構成するコンデンサの予め設定された静電容量とに基づいて、前記（式１）によって帯電量を算出する。外部容器１と内部容器２とで構成するコンデンサの静電容量の値は予め実測もしくは算出され、帯電量算出部４３に設定されている。そして、帯電量算出部４３は、設定された値を上記（式１）の静電容量Ｃとし、電圧情報である電圧の値を上記（式１）の電圧Ｖとして帯電量Ｑを算出する。帯電量算出部４３は、図示しない表示部などの出力手段に算出した静電容量を出力する。

以上説明したように、この実施形態においては、中心導体５１と、中心導体５１の周りに配置される内部シールド５３と、内部シールド５３の周りに配置される外部シールド５５とを互いに絶縁した状態で備える３軸ケーブル５の中心導体５１の一端を、導電体で構成され、帯電量を測定しようとする測定対象物であるチップ抵抗６を収容する内部容器２に接続し、３軸ケーブル５の中心導体５１の他端を電圧計４２に接続する。また、３軸ケーブル５の外部シールド５５の一端を、導電体で構成され、内部容器２と絶縁された状態で内部容器２を収容するとともに、接地される外部容器１と接続し、外部シールド５５の他端を電圧計４２に接続する。

さらに、測定部４によりオペアンプ４１の正極入力端子に３軸ケーブル５の中心導体５１を接続し、オペアンプ４１の出力端子を自身の負極入力端子に接続するとともに、出力端子を３軸ケーブル５の内部シールド５３に接続する。これにより、ボルテージフォロワを構成し、３軸ケーブル５の中心導体５１と内部シールド５３とが互いに実質的に絶縁された状態で同電位となる。よって、３軸ケーブル５の容量成分がキャンセルされる。このため、外部容器１と内部容器２とで構成されるコンデンサの静電容量Ｃを小さくしても、電圧計４２で測定される電圧（３軸ケーブル５の測定部４側の端部での中心導体５１と外部シールド５５との間の電圧）を、３軸ケーブル５の容量成分の影響を受けることなく、上記静電容量Ｃと、内部容器２に収容されるチップ抵抗６の帯電量とにより規定される外部容器１と内部容器２との間の電圧Ｖ（＝Ｑ／Ｃ）に精度よく合致させることができる。このため、内部容器２に収容されるチップ抵抗６の帯電量が微小であっても、電圧計４２で測定される電圧Ｖを、該帯電量Ｑに適正に比例する値とすることができるとともに、その値を精度よく測定し得る程度に十分な大きさを有する値にすることができる。ひいては、内部容器２に収容されるチップ抵抗６の帯電量Ｑが微小であっても、上記の測定電圧から、該帯電量を精度よく測定できることとなる。

具体的には、概ね２．５［ｐＣ］程度の微小な帯電量で帯電したチップ抵抗６（測定対象物）の帯電量を従来方式の測定装置と本実施形態の測定装置とにより測定した結果、以下のような測定結果が確認された。

すなわち、静電容量Ｃが概ね１０［ｐＦ］であるファラデーケージを用い、従来方式でチップ抵抗６の帯電容量の測定（ファラデーケージと電圧計とを２軸ケーブルを用いて接続した場合の測定）を行った。なお、２軸ケーブルは、その容量成分が概ね２５０［ｐＦ］のものを使用した。この場合、ファラデーケージ内に１個のチップ抵抗６を収容した状態で電圧計に入力される電圧（これは、原理的には１０／（２５０＋１０）＝０．００９６［Ｖ］程度になると推測される）は、単位時間当たりのノイズの電圧のドリフトレベルと分別ができないほどが小さくなりすぎて、ファラデーケージ内に１個のチップ抵抗６を収容した状態での電圧を測定することができなかった。そこで、ファラデーケージに例えば１００個の帯電したチップ抵抗６（これは総計２５０［ｐＣ］の帯電量の測定対象物に相当する）を収容した状態で、電圧計による電圧測定を行ったところ、その測定電圧は概ね１［Ｖ］であった。したがって、従来方式の測定装置では、２．５［ｐＣ］程度の帯電量の１個のチップ抵抗６当たりの測定電圧は、１／１００＝０．０１［Ｖ］程度になると推察される。この測定電圧の値は、上記の原理上の電圧値にほぼ一致した。なお、この場合、２軸ケーブルの容量成分が大きく影響するため、１個のチップ抵抗６当たりの上記測定電圧０．０１［Ｖ］に、前記（式１）にしたがってファラデーケージの静電容量１０［ｐＦ］を乗算して得られる帯電量は、０．１［ｐＣ］となってしまい、実際の帯電量２．５［ｐＣ］に一致しないものとなる。このように、状来訪式の測定装置では、微小な帯電慮の測定対象物に対して、微小な測定電圧しかえられず、また、その測定電圧とファラデーケージの静電容量とから前記（式１）に従って求められる帯電量は、実際の帯電量に対して不正確なものとなる。

これに対して、本実施形態の測定装置を用いた場合、２．５［ｐＣ］程度の帯電量の１個のチップ抵抗６を前記内部容器２に収容した状態で、電圧計４２による電圧測定を行ったところ、その電圧を支障なく測定でき、該測定電圧の値は、概ね０．２５［Ｖ］であった。したがって、２．５［ｐＣ］の帯電量に対する測定電圧は、本実施形態の測定装置では、従来方式の測定電圧の概ね２５倍となる。すなわち、本実施形態の測定装置では、帯電量に対する測定電圧の感度を、従来方式の測定装置に対して２５倍に高めることができた。また、本実施形態の測定装置では、上記測定電圧０．２５［ｖ］に、前記（式１）にしたがってファラデーケージの静電容量１０［ｐＦ］を乗算して得られる帯電量２．５［ｐＣ］となり、実際の帯電量に精度よく合致するものとなる。

このように、本実施形態の測定装置によれば、従来方式の測定装置に比して、帯電量に対する測定電圧の感度を大幅に高めることができるとともに、微小な帯電量を精度よく測定することができる。

また、３軸ケーブル５を動かすと、３軸ケーブル５の中心導体５１と絶縁体５２とに摩擦が生じて電荷が発生することがある。しかしながら、この実施形態においては、測定部４によりオペアンプ４１の正極入力端子に３軸ケーブル５の中心導体５１を接続し、オペアンプ４１の出力端子を自身の負極入力端子に接続するとともに、出力端子を３軸ケーブル５の内部シールド５３に接続している。これにより、ボルテージフォロワを構成し、３軸ケーブル５の中心導体５１と内部シールド５３とが互いに実質的に絶縁された状態で同電位となる。よって、３軸ケーブル５の屈曲や振動によって、主に中心導体５１と絶縁体５２との間で摩擦電荷が発生しても、中心導体５１と内部シールド５３とは同電位に保持するように構成されているため、その摩擦電荷と等価な電圧がオペアンプ４１により即座に内部シールド５３に印加され、中心導体５１と内部シールド５３の電位差が「０」になり、３軸ケーブル５の摩擦電荷がキャンセルされる。つまり、３軸ケーブル５内に発生した摩擦電荷も補正される。したがって、３軸ケーブル５をコネクタ７，８に接続するなど３軸ケーブル５を動かした場合でも、摩擦によって発生した電荷が落ち着くのを待つことなく、微小な帯電量が安定して測定可能となり、測定に要する時間を短縮することができる。

さらに、３軸ケーブル５の中心導体５１と内部シールド５３とが同電位となり、中心導体５１と内部シールド５３とが実質的に絶縁されている。そのため、３軸ケーブル５の抵抗成分が存在しても、３軸ケーブル５に電流は流れない。よって、３軸ケーブル５に生じる漏れ電流がなくなり、電圧のドリフトを防止することができる。

また、この実施形態においては、外部容器１は、内部容器２と接触する部分に導電体からなる支持部材１３が設けられた絶縁体からなる台座１１を備えるようにしている。これにより、外部容器１に取り付けられた絶縁体からなる台座１１に内部容器２を載置する際に、内部容器２と絶縁体からなる台座１１とが直接的に接触することがなくなる。そのため、台座１１と内部容器２との摩擦によって生じる電荷に起因して内部容器２と外部容器１との間の電圧が変化してしまうことを防止することを可能とし、台座１１と内部容器２との摩擦によって生じる電荷の影響を受けることなく、チップ抵抗６の帯電量を高感度に測定することができる。

さらに、この実施形態においては、内部容器２を収容する有底の円筒状の外部容器１の上端に着脱自在に外部容器１に装着される、導電体で構成され、測定対象物を外部容器１上方から内部容器２に投入可能であって、かつ外部容器１の開口より小径の外部容器蓋３を設けるようにしている。

これにより、外部容器１の上方からの電気力線の進入を抑制し、外部容器１のシールド効果を高めることができる。ひいては、外部容器蓋３を設けない場合と比較して、チップ抵抗６の帯電量をより高感度に測定することができる。

さらにまた、この実施形態においては、帯電量算出部４３が、外部容器１と内部容器２との間の静電容量の値と、電圧計４２が、外部容器１と内部容器２の間の電圧として測定した３軸ケーブル５の外部シールド５５と中心導体５１との間の電圧とに基づいて、チップ抵抗６の帯電量を算出するようにしている。この場合、チップ抵抗６の帯電量が微小なものであっても、電圧計４２が測定した電圧の値は、上述したように、チップ抵抗６の帯電量を、外部容器１と内部容器２とで構成されるコンデンサの静電容量で除算してなる電圧に精度よく合致する。このため、チップ抵抗６の帯電量が微小なものであっても、電圧計４２の測定した電圧の値から正確な帯電量を算出することができる。

なお、この実施形態においては、測定対象物をチップ抵抗６としたが、測定対象物はチップ抵抗６に限るものではなく、粉末薬品などの粉粒体や液体を測定対象物としてもよい。この場合、帯電量算出部４３は、算出した帯電量を予め定められた測定対象物の重量で除算するなどして、単位値の帯電量を求めるようにすればよい。このように、測定対象物を粉粒体や液体にしても、従来の同軸ケーブルを用いた場合と比較して、電圧計４２が測定する電圧の測定感度が高くなっているため、従来の同軸ケーブルを用いた場合よりも少量の測定対象物で帯電量を測定することができ、測定に要するコストを削減することができる。

また、外部容器蓋３は、図１および図４に示した形状のものに限るものではない。たとえば、図７に示すように、外部容器蓋３に開設した穴３ａの周縁から外部容器１の外側に向かって、外部容器１と一体の円筒部３ｃを穴３ａと同心に突没してもよい。これにより、外部容器１の上方から内部容器２への電気力線の進入をさらに抑制し、外部容器１のシールド効果を高めることができる。ひいては、図１および図４に示した外部容器蓋３を外部容器１に装着した場合と比較して、測定対象物の帯電量の測定精度をより高めることができる。

１…外部容器、２…内部容器、３…外部容器蓋、４…測定部、５…３軸ケーブル、９…接続線、１１…台座、１３…支持部材、４１…オペアンプ、４２…電圧計、４３…帯電量算出部。

Claims (4)

1. 導電体で構成され、帯電量を測定しようとする測定対象物を収容する内部容器と、
   導電体で構成され、前記内部容器と絶縁された状態で該内部容器を収容するとともに、接地される外部容器と、
   中心導体と、該中心導体の周りに配置される内部シールドと、該内部シールドの周りに配置される外部シールドとを互いに絶縁した状態で備える３軸ケーブルと、
   前記外部容器の外部に配置され、前記内部容器および前記外部容器と前記３軸ケーブルによって接続され、前記外部容器と前記内部容器との間の電圧を測定する測定手段とを備え、
   前記３軸ケーブルの中心導体と前記内部容器とが接続され、前記３軸ケーブルの外部シールドと前記外部容器とが接続され、
   前記測定手段は、
   正極入力端子と、負極入力端子と、出力端子とを有し、前記正極入力端子が前記３軸ケーブルの中心導体と接続され、前記出力端子が前記負極入力端子および前記３軸ケーブルの内部シールドと接続されるオペアンプと、
   前記３軸ケーブルの中心導体と、前記３軸ケーブルの外部シールドとに接続されて、該中心導体と該外部シールドとの間の電圧を前記外部容器と前記内部容器との間の電圧として測定する電圧測定手段とを備えることを特徴とする高感度測定装置。
2. 請求項１に記載の高感度測定装置において、
   前記外部容器は、
   前記内部容器を載置する絶縁体からなる台座を備え、
   前記台座は、
   前記内部容器と接触する部分に導電体からなる支持部材が設けられていることを特徴とする高感度測定装置。
3. 請求項１または２に記載の高感度測定装置において、
   前記内部容器および前記外部容器は、有底筒状の容器であり、
   導電体で構成され、前記外部容器の上端に着脱自在に装着される外部容器蓋をさらに備え、
   前記外部容器蓋は、
   前記測定対象物を前記外部容器上方から前記内部容器に投入可能であって、かつ前記外部容器の開口より小径の穴が設けられたことを特徴とする高感度測定装置。
4. 請求項１〜３の何れか１つに記載の高感度測定装置において、
   前記測定手段は、
   前記外部容器と前記内部容器との間の静電容量の値と、前記電圧測定手段により測定された電圧とに基づいて、前記測定対象物の帯電量を算出する帯電量算出手段をさらに備えることを特徴とする高感度測定装置。