JP3619987B2 - 減圧下での除電方法 - Google Patents

Description

【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、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)

1. 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。
2. 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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