JP3619987B2 - 減圧下での除電方法 - Google Patents
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Description
【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、プラス・マイナスの放電電極を真空室内に設置してプラス・マイナスの高電圧をそれぞれ印加し、プラス・マイナスの放電電極間でグロー放電が生ずるまで真空室内を減圧し、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】
真空室内の減圧は、マイナス放電電流が急激に上昇するところから最大域の範囲内で行う。その減圧は、真空室内のガスが空気の場合、20kPa〜1Pa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。
【0010】
安定したグロー放電にするため、プラス・マイナスの放電電極に抵抗を接続し、抵抗を介してプラス・マイナスの高電圧をそれぞれ印加する。
【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に本発明による方法の模式図を示す。真空容器1内の所定位置に、針状のプラス放電電極2とマイナス放電電極3と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、これらプラス・マイナスの放電電極2・3は、図2に示すように、絶縁基板4に植設した有底の導電性ブッシュ5に基端部を嵌入させて絶縁基板4上に平行に保持され、各放電電極2・3には、いわゆる抵抗結合にするため、絶縁基板4の裏面に実装した抵抗6がそれぞれ接続されている。
【0013】
このようなプラス放電電極2及びマイナス放電電極3は、一対、又は複数対が所定の間隔をおいて絶縁基板4に直線上に設けられている。また、絶縁基板4には、プラス・マイナスそれぞれの電源配線7・8がプリント配線されている。そして、この絶縁基板4を、図3に示すように、導電性ブッシュ5及び抵抗6と共に断面C字形の電極ホルダ9内において樹脂10に埋設して、プラス・マイナスの放電電極2・3の先端部を樹脂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11となっている。この放電電極ユニット11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、プラス・マイナスの放電電極2・3は真空容器1内の所定位置に固定設置されている。
【0014】
プラス・マイナスの放電電極2・3は、絶縁基板4上の電源配線7・8を介して真空容器1外の直流高電圧電源12に電気接続され、プラス放電電極2にはプラスの直流高電圧が抵抗6を介して印加され、マイナス放電電極2にはマイナスの直流高電圧が抵抗6を介して同時に印加される。
【0015】
直流高電圧電源12は、特公平7−7715号公報に開示されている直流除電器用のものと同様に、自励発振回路と昇圧回路を用いて昇圧し、これをプラス側倍電圧整流回路とマイナス側倍電圧整流回路にて整流して、プラスの直流高電圧とマイナスの直流高電圧を別々に生成するもので、プラス・マイナスそれぞれ倍電圧整流回路の段数により変えることができる構成になっている。
【0016】
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が、その基台13は不透明である。真空容器1内、つまり真空室1aは、外部の真空ポンプ(図示せず)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。
【0017】
本発明の除電方法は、このような真空式除電装置を用い、被除電物Aを真空室1a内に入れて、プラス・マイナスの放電電極2・3にプラス・マイナスの直流高電圧をそれぞれ印加したまま、これら放電電極2・3間でグロー放電が生ずるまで真空室1a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。
【0018】
予め帯電させた被除電物A(プラスチックフィルム)を、プラス・マイナスの放電電極2・3から距離L1だけ離して対向させて真空室1aに設置し、プラス・マイナスの放電電極2・3に印加する高電圧はプラス・マイナス同じにして、真空室1aの真空度を徐々に上げて被除電物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。
【0019】
また、除電電流を測定するため、被除電物Aの後方に更に距離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に電流計14を接続し、その接続側とは反対側の電流計の極は接地した。帯電板Bから電流計14に流れる放電電流として、プラスの放電電流を測定する場合には、マイナスの放電電極3に接続されている放電電極ユニット11のマイナス側入力端は直流高電圧電源12から切り離して大気中に開放し、プラスの放電電流はマイナスの放電電極3に流れない処置をした。同様に、マイナスの放電電流を測定する場合には、プラスの放電電極2に接続されている放電電極ユニット10のプラス側入力端は直流高電圧電源12から切り離して大気中に開放し、マイナスの放電電流はプラスの放電電極2に流れない処置をした。
【0020】
図4は、次のような条件で真空容器1a内を減圧して圧力(kPa)を下げ、帯電板Bに流れるプラス放電電流(μA)とマイナス放電電流(μA)を別々に測定した圧力−放電電流特性のグラフである。図5はその一部を対数目盛にして示すグラフである。
プラス・マイナスの放電電極2・3間の距離 50mm
プラス・マイナスの放電電極2・3への印加電圧 +5kV、−5kV
放電電極2・3と被除電物Aとの距離L1 50mm
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
抵抗6の抵抗値 200MΩ
【0021】
図4及び図5に示すように、プラス放電電流及びマイナス放電電流ともに、20kPaあたりから急激に上昇し、その急激な上昇に従いプラス・マイナスの放電電極2・3間でのグロー放電による青紫色の発光量が急激に増加するのが、肉眼でも観察され、プラス放電電極2ではその針の先端のみが点状に発光したままであるが、マイナスの放電電極3については、発光が針の先端から球形に拡がり、マイナス放電電流の急激な上昇に伴い発光の球形が膨張して拡大するのが観察された。これは真空室1aでプラズマが発生しているためであると想像される。このようなプラス・マイナス両極性の放電電流の上昇推移は圧力を更に下げても続き、プラス放電電流とマイナス放電電流とが共に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、プラス放電電流は最高域からさほど減衰しないのに、マイナス放電電流は最高域になってから圧力の更なる低下に従い急激に減衰し、その減衰に伴いマイナスの放電電極3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。
【0022】
図6は、真空室1a内を0.01kPaに減圧して一定にし、マイナス放電電極3にマイナス高電圧を可変して印加し、帯電板Bに流れる電流とマイナス放電電極3からの放電電流を測定した。図7は、同様にプラス放電電極2にプラス高電圧を可変して印加し、帯電板Bに流れる電流とプラス放電電極2からの放電電流を測定した。いずれの場合も、真空室1aの底面、つまり基台13の金属表面は絶縁フィルムで絶縁し、抵抗6の抵抗値は200MΩとしたところ、プラス・マイナスの2極の放電電極2・3から放電した。図6及び図7において、0から90μAまでの実線は、放電電極2・3を短絡させたときに流れた短絡時の放電電流を示す。
【0023】
これらの図から分かるように、真空室1a内を減圧した場合のプラス・マイナスの放電電流は、大気圧中に比べて大きな値(図4に示す100kPaが大気圧中での放電電流値で、この値は1μA程度)が測定されている。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、短絡電流に近い放電電流が得られ、これが高密度の除電に有効に利用できると思われる。
【0024】
図8は、帯電板Bのみの場合の圧力(cmHg)の変化に対するマイナス放電電流の特性グラフ、図9は同様にプラス放電電流の特性グラフである。
【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。直流高電圧電源11の電源オン時間はそれぞれ1秒である。
【0026】
図11〜図32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11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12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13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14は、真空室1aの圧力(真空度)を47.88kPa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15は、その中からプラスの帯電模様のみを取り出した図、図16は、マイナスの帯電模様のみを取り出した図である。
【0029】
図17は、真空度を27.93kPa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18は、その中からプラスの帯電模様のみを取り出した図、図19は、マイナスの帯電模様のみを取り出した図である。
【0030】
図20は、真空度を21.28kPa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21は、その中からプラスの帯電模様のみを取り出した図、図22は、マイナスの帯電模様のみを取り出した図である。
【0031】
図23は、真空度を14.63kPa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24は、その中からプラスの帯電模様のみを取り出した図、図25は、マイナスの帯電模様のみを取り出した図である。
【0032】
図26は、真空度を7.98kPa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27は、その中からプラスの帯電模様のみを取り出した図、図28は、マイナスの帯電模様のみを取り出した図である。
【0033】
図29は、真空度を4.00kPa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30は、その中からプラスの帯電模様のみを取り出した図、図31は、マイナスの帯電模様のみを取り出した図である。
【0034】
図32は、真空度を1.33kPa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。
【0035】
これらの帯電模様図と図4〜図9に示した圧力−放電電流特性図とを対比すれば分かるように、真空室1aの圧力の低下につれて放電電流が上昇するのに伴い、フィルム面の帯電模様が次第に少なくなるとともに色も希薄になり、放電電流が最高域になっている圧力1.33kPaのときには、図32に示すようにプラス・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。
【0036】
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・3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、プラス・マイナスの放電電極間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。
【0037】
ところで、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、更に圧力を下げていくと、図5に示すように減衰し、その減衰の度合いは、圧力が1Pa未満でマイナス放電電流の方がプラス放電電流よりはるかに急激で、マイナスの放電電極3の周囲に生じている球形の発光の大きさが急激に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。
【0038】
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。
【0039】
【数1】
【0040】
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。
【0041】
【表1】
【0042】
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10はこれをグラフで表したものである。
【0043】
【表2】
【0044】
図10の圧力−平均自由行程のグラフと、図4、図8及び図9の圧力−放電電流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、上記のようにマイナス放電電流は急激に減衰しており、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。
【0045】
また、プラス・マイナスの放電電極2・3から抵抗結合用の抵抗6を外した状態で実験したところ、図6及び図7に示した特性のように、減圧下では導電性が向上し、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。
【0046】
【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。
【0047】
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】本発明による方法の模式図である。
【図2】絶縁基板上におけるプラス・マイナスの放電電極の実装構造を示す一部分の斜視図である。
【図3】図2の構造を電極ホルダ内において樹脂埋設して全体として一本の放電電極ユニットとした断面図である。
【図4】真空室を減圧して圧力を下げ、帯電板に流れるプラス放電電流とマイナス放電電流とを別々に測定した圧力−放電電流特性のグラフである。
【図5】図4の一部を対数目盛にして表したグラフである。
【図6】真空室を減圧して一定にし、マイナス放電電極にマイナス高電圧を可変して印加し、帯電板に流れる電流とマイナス放電電極からの放電電流を測定した、マイナス印加電圧の変化に対する放電電流の特性グラフである。
【図7】同じく、プラス放電電極にプラス高電圧を可変して印加し、帯電板に流れる電流とプラス放電電極からの放電電流を測定した、プラス印加電圧の変化に対する放電電流の特性グラフである。特性グラフである。
【図8】帯電板のみの場合の圧力の変化に対するマイナス放電電流の特性グラフである。
【図9】同じくプラス放電電流の特性グラフである。
【図10】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。
【図11】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12】図11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13】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14】真空室の圧力を47.88kPa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15】図14からプラスの帯電模様のみを取り出した図である。
【図16】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17】真空室の圧力を27.93kPa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18】図17からプラスの帯電模様のみを取り出した図である。
【図19】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20】真空室の圧力を21.28kPa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21】図20からプラスの帯電模様のみを取り出した図である。
【図22】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23】真空室の圧力を14.63kPa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24】図23からプラスの帯電模様のみを取り出した図である。
【図25】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26】真空室の圧力を7.98kPa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27】図26からプラスの帯電模様のみを取り出した図である。
【図28】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29】真空室の圧力を4.00kPa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30】図29からプラスの帯電模様のみを取り出した図である。
【図31】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32】真空度を1.33kPaにして除電したときのフィルム表面の図である。
【符号の説明】
1 真空容器
1a 真空室
2 プラス放電電極
3 マイナス放電電極
4 絶縁基板
5 導電性ブッシュ
6 抵抗
7・8 電源配線
9 電極ホルダ
10 樹脂
11 放電電極ユニット
12 直流高電圧電源
13 基台
14 電流計
A 被除電物
B 帯電板
Claims (2)
- プラス・マイナス各々に抵抗を接続したプラス・マイナスの放電電極を真空室内に設置し、これらプラス・マイナスの放電電極にそれぞれ抵抗を介してプラス・マイナスの高電圧を印加して、その放電により生ずるマイナス放電電流を測定し、マイナス放電電流が急激に上昇するところから最大域に達する範囲で真空室内を減圧して、プラス・マイナスの放電電極間でグロー放電を生じさせることにより、真空室内の被除電物を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。
- 真空室内を20kPa〜1Paまで減圧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。
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