JP7385958B1 - 表面電位測定装置を用いた除電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シート表面の表面電位を正確に測定できる表面電位測定装置と、適切な除電条件を簡単に設定でき、確実な除電ができる除電装置を提供することである。【解決手段】 シートｓの一方の面ｓ１の表面電位を測定する表面電位測定装置６であって、シートの他方の面ｓ２を支持する支持部材７と、シートｓを挟んで上記支持部材７と対向する位置に設けられ、一方の面ｓ１の表面電位を非接触で検出する電位検出部８とを備え、支持部材７を接地に接続した表面電位測定装置６と、この表面電位測定装置６の上流側には、除電電極２と電源４と電源制御部５からなる除電機構１を備え、電源制御部５は、表面電位測定装置６の測定値に応じて電源４を制御して除電電極２への印加電圧を制御する。【選択図】 図１

Description

特許法第３０条第２項適用 コンバーテック、２０２２年８月号、９８頁～１００頁、令和４年８月１５日、株式会社加工技術研究会発行

この発明は、表面電位測定装置を用いた除電装置に関する。

従来から、樹脂製シートの製造、加工工程などでは、フィルムの静電気帯電が原因となって生じる生産不良や品質不良が生産効率低下の要因として、大きな問題となっている。
上記樹脂製のシートの製造・加工では、樹脂材料がロールによって搬送されながら延伸され、用途に応じて加工処理を施されて製品化される。樹脂製シートが製品となるまでにはいくつものロール上を流れることとなり、樹脂製シートとロールが接触し剥離することを繰り返す過程で接触や摩擦で生じた静電気がシートに蓄積し、これが樹脂製シートの静電気帯電の原因となる。

また、できあがったシートにデジタル印刷を施す場合に、その印刷工程でシートの表面を帯電させる必要があり、印刷済みシートは静電気帯電している。
このように帯電したシートを積層したり、ロール状に巻き取ったりすると、重なり合ったフィルム同士が静電気力によって強く密着し、容易に剥がすことが出来なくなってしまう。無理に引き剥がそうとすれば、フィルムが折れたり、傷ついたりしてしまう可能性がある。
さらに、印刷後の工程、例えば裁断、製本、型抜工程での、生産性を著しく低下させてしまう。

そこで、静電気帯電したシートの表面を除電する必要性があり、そのために様々な除電装置が知られている。
例えば、特許文献１には、シートを一対のローラで挟持する接触型の除電装置と、シートの表面と間隔を保って対向する放電電極のコロナ放電でイオンを生成する被接触型の除電装置とが開示されている。
そして、これら接触型及び非接触型除電装置の除電条件を決めるため、帯電したシートの物性に基づいて決めるようにしているが、上記除電条件を決定するための一つの物性として、シートの表面電位を測定していた。

この装置の概略構成は図５のとおりである。
図５に示すように、シートｓの搬送路に沿って接触型の除電機構１０１と非接触型の除電機構１０２が配置され、これらの上流側に、搬送されるシートｓの表面電位を測定する表面電位センサ１６０が設けられている。この表面電位センサ１６０の測定値に基づいて除電機構１０１，１０２の除電条件を設定し、上側の表面が負に帯電したシートｓが除電機構１０１及び１０２を通過後には、表面電位がゼロになるまで除電されるというものである。

特開２０１９－１６７１６９号公報の図９

しかし、表面電位センサ１６０の測定値に基づいて、除電電極への印加電圧を決定しても、完璧な除電ができず、静電気帯電による問題を解消できないことがあった。その原因を以下のように考える。
上記のように、シートｓは、図５，６にも示すように、シートｓの厚みを介してその両面ｓ１，ｓ２に負と正の電荷が存在する。このようなシートｓが１枚で存在する場合には、図６のように両面の電荷が、閉じた電界Ｅからなる電気二重層を形成するため、外方へ広がる電気力線の量はわずかである。したがって、上記表面電位センサ１６０で測定される見かけ上の帯電電位は低くなる。したがって、表面電位センサ１６０の測定値は、シートｓの表面電荷量に対応したものとならない。
そのため、表面電位センサ１６０の測定値のみからは適切な除電条件を決定できずに、表面の電荷を十分に消去できないことになる。

そして、図６のように、電気二重層を形成して見かけ上の表面電位が略ゼロになったとしても、両面にそれぞれ電荷を有するシートｓを積層した場合には、上下のシートｓが密着して剥がしにくくなってしまう。シートｓを積層した場合には、下層のシートｓの上側面と上層のシートｓの下側面との距離が、１枚のシートｓの厚みよりも小さくなるため、シートｓ，ｓ間にクーロン力による吸引力が発生するからである。したがって、静電気による問題を解消するためには、シートｓの表面電荷量を正確に特定する必要がある。
なお、図６では、説明のため、シートｓの厚みを大きく示しているが、実際にはシートｓの厚みは数十〔μｍ〕～３〔ｍｍ〕程度である。

この発明の目的は、シート表面の表面電位を正確に測定できる表面電位測定装置と、適切な除電条件を簡単に設定でき、確実な除電ができる除電装置を提供することである。

第１の発明の除電装置は、帯電したシートが搬送される搬送路に沿って、上記シートの搬送方向上流側から順に、上記シートの一方の面を除電するための除電機構と、表面電位測定装置とを備え、上記表面電位測定装置は、上記シートの、上記一方の面又は他方の面の表面電位を非接触で測定する電位検出部と、上記シートを挟んで上記電位検出部と対向する位置に設けられ、接地に接続された、上記シートの他方の面又は一方の面を支持する支持部材とを備え、上記除電機構が、上記シートの一方の面に対向する除電電極と、上記除電電極に電圧を印加する電源と、上記電圧を制御する電源制御部とからなり、上記電源制御部は、上記表面電位測定装置から入力された上記表面電位の測定値に応じて、上記除電電極への印加電圧を制御する構成にしている。

第２の発明は、上記除電機構が、帯電したシートを挟持して搬送する一対のローラ状の除電電極を備え、上記一対の除電電極のうち、少なくともいずれか一方の外周面が弾力を有する導電性樹脂で構成されている。

第１の発明によれば、除電後のシートにおける一方の面の表面電位を正確に測定でき、その測定値をフィードバックして、除電電極への印加電圧を制御することができる。したがって、最適な除電条件を実現でき、確実な除電ができる。
除電効果は、除電前の表面電位だけでなく、その他のシートの物性や、温度湿度などの環境条件にも影響される。そのため、除電前の表面電位のみから、適切な印加電圧を決定することは難しい。
しかし、除電後のシートの表面電位には、除電前の表面電位以外の様々な要素の影響も含まれている。そのため、この発明のように、除電後の表面電位をフィードバックすることで適切な印加電圧を決定しやすくなる。

第２の発明によれば、シートを挟持するローラ状の除電電極の外周面が、シートの表面に密着して、シートとの間に部分的な隙間ができない。したがって、均一かつ確実な除電ができる。

図１は、第１実施形態の除電装置の概略構成図である。 図２は、第１実施形態のローラ状の除電電極の外観図である。 図３は、第１実施形態の表面電位測定装置の概略構成図である。 図４は、第２実施形態の除電装置の概略構成図である。 図５は、従来の除電装置の概略構成図である。 図６は、帯電したシートの断面図である。

［第１実施形態］
以下にこの発明の第１実施形態を説明する。
図１は、第１実施形態の除電装置の概略構成図であり、図２は、第１実施形態のローラ状の除電電極の外観図、図３は、第１実施形態の表面電位測定装置の概略構成図である。
第１実施形態の除電装置は、例えばデジタル印刷工程を施された直後の帯電したシートｓを矢印ｘ方向に搬送しながら除電するための装置である。シートsの搬送路に沿って、上流側から順に、除電機構１、表面電位測定装置６が設けられている。

上記除電機構１は、図１に示すように、シートｓを上下から挟むように一対の除電ローラ２，３がローラ状の除電電極として上下に設けられている。除電ローラ２は上側に配置されており、除電ローラ３は下側に配置されている。これら上下の除電ローラ２，３は、図２に示すように、弾力を有する導電性樹脂製のローラ本体２ａ，３ａの中心に金属製のシャフト２ｂ，３ｂを貫通させた部材である。上記ローラ本体２ａ，３ａの材質は、導電性の発泡ゴムなどでその電気抵抗値は１×１０^６〔Ω〕～１×１０^１０〔Ω〕に調整されている。

一対の除電ローラ２，３は、ローラ本体が発泡ゴムなどで形成されているため、その外周面が弾力を備えている。これらの上下の除電ローラ２，３は、互いに押し付け力を発揮して、接触部分が多少変形するように設置されるとともに、図１中に示す矢印方向に回転してシートｓを搬送する。
また、上側の除電ローラ２には直流電圧を出力する電源４が接続され、下側の除電ローラ３は接地されている。上記電源４には、その出力電圧を制御する電源制御部５が接続され、上記電源４が、上側の除電ローラ２に対し、シートｓの上側面ｓ１の帯電極性と逆極性の電圧を印加するようにしている。

除電機構１の下流側には、シートｓの上側面ｓ１の表面電位を測定するための表面電位測定装置６が設けられている。この表面電位測定装置６は、図１，３に示すように、シートｓの下側面ｓ２を支持する支持部材である支持板７と、上側面ｓ１に対向した電位検出部８とを備えている。なお、シートｓにおいて、電位検出部８に対向する上側面ｓ１が一方の面であり、支持板７で支持される下側面ｓ２が他方の面である。

上記支持板７は、シートｓの他方の面である下側面ｓ２を支持する支持部材であって、接地に接続された金属平板からなる。また、支持板７においてシートｓの搬送方向上流側の端部近傍には、当該支持板７の上方に間隔を保ったガイド部材９を設けている。ガイド部材９と支持板７との間隔を、シートｓの搬送方向にしたがって徐々に狭くなるようにして、除電処理されたシートｓを支持板７の上に導くようにしている。
なお、シートｓの搬送路上には、シートｓを搬送するために挟持して回転する搬送ローラ１０，１１が設けられている。

一方、支持板７の上方に設けられた電位検出部８は、シートｓを挟んで上記支持板７と対向する位置に設けられている。この電位検出部８は、支持板７と対向する側の端部に設けられた検出電極で検出される電界強度に基づいてシートｓの上側面ｓ１上の表面電位を非接触で測定できるもので、測定原理は図５に示す従来の表面電位センサ１６０と同様である。
ただし、この第１実施形態では、除電前のシートｓの表面電位ではなく、除電処理後のシートｓの表面電位が、支持板７がシートｓを支持した状態で測定される。

そして、電位検出部８は、上記電源制御部５に接続され、検出した表面電位の測定値が電源制御部５へ入力される。電源制御部５は、入力された表面電位の測定値に基づいて電源４の出力を制御するようにしている。例えば、除電処理後の表面電位が目標値より高い（電位の絶対値が大きい）場合には、除電不足なので、電源４の出力電圧をその時点より大きくし、表面電位が略ゼロならそのまま、逆極性の場合には印加電圧を小さくする、というような制御を、電源制御部５が実行する。

［作用・効果等］
上記第１実施形態の除電装置は、表面電位測定装置６の測定値を、電源制御部５へフィードバックすることで、電源４の出力、すなわち除電ローラ２への印加電圧を制御している。例えば、除電装置は、表面電位測定装置６で大きな負の電位が検出された場合には、電源制御部５が電源４を制御して、正の印加電圧の絶対値が大きくなるようにする。また、除電装置は、表面電位測定装置６で正の表面電位が検出された場合には、印加電圧を小さくするように制御する。
このようにして、除電不足や、逆帯電を防止することができる。

上記表面電位測定装置６では、除電機構１で除電しきれなかった残留電荷による表面電位が測定される。このとき、シートｓは支持板７で支持されているので、図３に示すように、上側面ｓ１と逆極性の正電荷が発生している下側面ｓ２が載置された支持板７の表面には、接地から下側面ｓ２とは逆極性の負電荷が流れ込むことになる。すると、この支持板７の負電荷と下側面ｓ２の正電荷とで閉じた電界Ｅを形成するため、上側面ｓ１の負電荷による電気力線が外方へ広がり、電界Ｅ´が電位検出部８で検出できる。そのため、上側面ｓ１の表面電位を正確に測定することができる。

したがって、除電機構１における除電条件、すなわち除電ローラ２への印加電圧が適切か否かを正確に確認することができる。そして、このような、表面電位の測定値に基づいて、電源制御部５が電源４を制御することにより、適切な印加電圧による確実な除電が実現できる。

なお、この第１実施形態の除電機構１を構成する除電ローラ２，３は、いずれも、ローラ本体２ｂａ，３ａが弾力を有する導電性樹脂で形成されていて、シートｓの上側面ｓ１及び下側面ｓ２に密着している。そのため、除電ローラ２，３とシートｓとの間に、部分的な隙間などができることがなく、除電ローラ２への印加電圧が効率的に除電に寄与するとともに、均一な除電ができる。
ただし、除電ローラ２，３は、弾性を有する導電性樹脂で構成されていなくても構わない。

［第２実施形態］
以下に第２実施形態を説明する。図４は、第２実施形態の概略構成図である。
この第２実施形態は、長尺のシートｓの表面を除電するための除電装置であるとともに、除電機構１の下流側に設けられた表面電位測定装置１２の構成が、上記第１実施形態の表面電位測定装置６とは異なる。その他の構成は上記第１実施形態と同様である。

第２実施形態では、除電機構１を通過した長尺のシートｓの上側面ｓ１の表面電位を測定する表面電位測定装置１２における支持部材が、接地に接続された金属製の支持ローラ１３である。この支持ローラ１３は、２組の搬送ローラ１０，１１と１０，１１間に配置され、シートｓの搬送に伴なって矢印方向に回転するようにされている。支持ローラ１３は、その外周面の上側一部がシートｓの搬送方向の上流側の搬送ローラ１０，１１の接触部と下流側の搬送ローラ１０，１１の接触部とを含む平面に対して上方に突出し、シートｓにわずかなテンションがかかるように配置されている。
そして、この支持ローラ１３と対向する位置に電位検出部８が設けられている。

［作用・効果等］
この第２実施形態においても、表面電位測定装置１２は、接地した支持ローラ１３によって下側面ｓ２の電荷を固定して、上側面ｓ１の表面電位を正確に測定することができる。したがって、第２実施形態の除電装置も、この表面電位の測定値に応じて、電源制御部５が電源４を制御し、上記除電電極への印加電圧を適切に設定することができる。その結果、より完璧な除電ができる。

なお、第１，２実施形態では、電位検出部８に対向する一方の面が、シートｓの上側面ｓ１であり、この上側面ｓ１を除電するようにしているが、下側面ｓ２の表面電位を測定して、下側面ｓ２を除電するようにしてもよい。

また、電位検出部８と支持板７、電位検出部８と支持ローラ１３の位置関係を逆にして、表面電位を測定した面と反対側の面を除電するようにしてもよい。シートｓの上側面ｓ１と下側面ｓ２とは、略等しい絶対値で逆極性に帯電している。例えば、上側面ｓ１が負に帯電している場合、下側面ｓ２は正に帯電しているがその絶対値はほぼ等しい。そこで、下側面ｓ２の表面電位を測定した場合には、その逆極性の電位が上側面ｓ１の表面電位となる。そこで、下側面ｓ２の測定値の大きさに応じた、上記測定値と同極性の電圧を、上側面ｓ１に対向する除電電極に対して出力するように制御すれば、適切な除電ができる。

さらに、上記第１，２実施形態の除電機構１は、接触型の除電機構であるが、この除電機構１に替えて図５に示す除電機構１０２のような非接触型の除電機構を用いてもよい。その場合にも、表面電位測定装置６，１２の測定値を、電源制御部にフィードバックして、除電電極への印加電圧を制御することによって適切な除電ができる。

また、除電電極に印加する電圧は、直流電圧に限らず、交流電圧でも上記と同様に制御することができる。
そして、表面電位測定装置６，１２は、上記のような除電装置に組み込むだけでなく、単独で用い、帯電したシートｓにおける一方の面の表面電位を、正確に測定することができる。

例えば、デジタル印刷などで帯電したシートを、適切に除電することができる。

１ 除電機構
２，３ （ローラ状の除電電極）除電ローラ
４ 電源
５ 電源制御部
６，１２ 表面電位測定装置
７ （支持部材）支持板
８ 検出部
１３ （支持部材）支持ローラ
ｓ シート
ｓ１ （一方の面）上側面
ｓ２ （他方の面）下側面

Claims (2)

1. 帯電したシートが搬送される搬送路に沿って、
   上記シートの搬送方向上流側から順に、
   上記シートの一方の面を除電するための除電機構と、表面電位測定装置とを備え、
   上記表面電位測定装置は、
   上記シートの、上記一方の面又はその反対側である他方の面の表面電位を非接触で測定する電位検出部と、
   上記シートを挟んで上記電位検出部と対向する位置に設けられ、接地に接続された、上記シートの他方の面又は一方の面を支持する支持部材とを備え、
   上記除電機構は、
   上記シートの一方の面に対向する除電電極と、
   上記除電電極に電圧を印加する電源と、
   上記電圧を制御する電源制御部とからなり、
   上記電源制御部は、上記表面電位測定装置から入力された上記表面電位の測定値に応じて、上記除電電極への印加電圧を制御する構成にした除電装置。
2. 上記除電機構は、
   帯電したシートを挟持して搬送する一対のローラ状の除電電極を備え、
   上記一対の除電電極のうち、少なくともいずれか一方の外周面が弾力を有する導電性樹脂で構成された請求項１に記載の除電装置。

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