JPS6260918B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、回転駆動される電荷担体に静電誘導
を利用して電荷を順次与え、これらの電荷を高電
圧端子側に順次送り込んで高電圧を発生させるよ
うにした直流高電圧発生用電荷搬送装置に関する
ものであり、この装置は例えばイオンインプラン
タや表面分析のためのエネルギ分析等の電源装置
として用いられ得る。

［従来の技術］ 一般に電荷可搬型の静電発電機と呼ばれている
この種の直流高電圧発生装置の従来技術としては
ヴアン・ド・グラーフ型静電発電機が知られてお
り、この静電発電機においては、電荷の担体とし
て絶縁ベルトを使用し、この絶縁ベルトに隣接し
て電荷供給側と電荷受取側とにそれぞれ針状電極
を設け、通常は電荷供給側における針状電極から
コロナ放電によつて絶縁ベルト上に電荷を乗せ、
こうして絶縁ベルト上に乗せられた電荷は絶縁ベ
ルトの回動により電荷受取側すなわち高電圧端子
側に運ばれ、電荷受取側に設けられた針状電極に
よつてこの針状電極と絶縁ベルト上の電荷のもつ
電位との間の自己放電により電荷が高電圧端子の
コレクタに移し取られる。高電圧端子は接地面に
対して一定の静電容量をもつので、絶縁ベルトに
よつて運ばれる電荷密度が一定で、絶縁ベルトの
走行速度が一定ならば、運ばれる電流も一定であ
り、従つて定電流源となる。

電荷可搬型の静電発電機の別の例としては担体
として絶縁体の代りに導体片を用い、誘導帯電に
より電荷を高電圧端子側へ運び込むようにしたチ
エーン型のものも知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上述のような従来の電荷可搬型の静
電発電機は、本質的に定電流源であるので、大き
な出力を得ようとすると、電荷担体上における電
荷密度と電荷担体の走行速度を大きくする必要が
ある。しかしながら、電荷担体の走行速度を増大
させることは機械的強度や振動等のため機械的に
安定な運転状態が得られにくくなり、一方電荷密
度については電荷担体上の最大電荷密度が絶縁破
壊により制限されることになるため、装置自体を
大型化しなければならず、取扱いが面倒である。
またヴアン・ド・グラーフ型静電発電機では電荷
の受け渡し時にコロナ放電による損傷を受け易す
い等の問題点がある。さらに、従来公知のこの種
の静電発電機では電荷の受け渡し部において電荷
の円滑な授受が行なわれ難く、そのため火花放電
等が生じ易く、電荷の受け渡し部が損傷され、装
置の寿命が比較的短いだけでなく、発生される出
力レベルも制限されたり変動を受けることにな
る。

そこで、本発明の目的は、この種の静電発電機
において電荷の受け渡しが異常放電を伴うことな
しに円滑に行なわれ、しかも比較的高電圧で安定
した直流を発生できるようにした長期間安定して
作動できる小型の直流高電圧発生用電荷搬送装置
を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明による直流
高電圧発生用電荷搬送装置は、回転絶縁円板と、
この回転絶縁円板の周縁部に沿つて同一円周上に
等間隔に設けられ、各々円柱状の電荷搬送部を備
えた多数の導電性電荷搬送用接触子と、回転自在
の一対のプーリに掛けられ、上記回転絶縁円板に
設けた各導電性電荷搬送用接触子と摩擦接触して
各導電性電荷搬送用接触子を接地させる導電性弾
性材料からなる接地された電荷供給側ベルト状部
材と、上記接地された電荷供給側ベルト状部材に
対して上記回転絶縁円板の直径上に相対して位置
し、回転自在の一対のプーリに掛けられ、上記回
転絶縁円板に設けた各導電性電荷搬送用接触子と
摩擦接触して上記回転絶縁円板に設けた各導電性
電荷搬送用接触子から電荷を受取る導電性弾性材
料からなる電荷受取側ベルト状部材と、少なくと
も上記各導電性電荷搬送用接触子と上記電荷供給
側ベルト状部材および電荷受取側ベルト状部材と
が接触する領域にわたつて上記各導電性電荷搬送
用接触子の通過する通路を挟んでそれぞれ設けら
れた同一形状の電荷供給側インダクタ電極および
電荷受取側インダクタ電極とを有し、上記電荷供
給側インダクタ電極および電荷受取側インダクタ
電極の各々を分割されかつ互いに逆極性で同じ大
きさの電圧の印加された二つの板状電極部材で構
成し、全体を絶縁性ガス雰囲気内に収容したこと
を特徴としている。

［作 用］ このように構成した本発明の直流高電圧発生用
電荷搬送装置においては、少なくとも上記各導電
性電荷搬送用接触子と電荷供給側ベルト状部材お
よび電荷受取側ベルト状部材とが接触する領域に
わたつて各導電性電荷搬送用接触子の通路に沿つ
て対向してそれぞれ同一形状の電荷供給側インダ
クタ電極および電荷受取側インダクタ電極を設
け、そして各導電性電荷搬送用接触子と電荷供給
側ベルト状部材および電荷受取側ベルト状部材と
は直接高速で摩擦接触するが、互いに同じ速度で
走行しており、接触の起る時の衝撃は極めて小さ
く、しかも使用される材質が金属と導電性弾性材
料とであるので、互いに傷つけ合うことがなく長
期間安定して作動でき、また両インダクタ電極に
同じ大きさの電圧を印加することにより、各導電
性電荷搬送用接触子と電荷供給側ベルト状部材お
よび電荷受取側ベルト状部材と間における電荷の
授受の際に発生し易いコロナ等の異常放電を実質
的に抑制して円滑で安定した電荷の授受が行なわ
れ得る。さらに、装置全体を絶縁性ガス雰囲気内
に収容することにより、装置をより小形化でき、
例えば直径20cmの回転絶縁円板を用いて数10万ボ
ルトの高電圧を発生させることができる。

［実施例］ 以下、添附図面を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。

第１図には本発明による直流高電圧発生用電荷
搬送装置の一実施例を示し、中心軸の回りを回転
するようにされた絶縁性材料例えばアクリル樹脂
から成る回転絶縁円板３の周縁部に沿つて同一円
周上に等間隔に多数の導電性電荷搬送用接触子１
が設けらている。各導電性電荷搬送用接触子１は
図示したように一体に形成された円柱状部と接触
部２とを備えている。４，４′，４″，４はイン
ダクタ電極で、これらのインダクタ電極は導電性
材料例えばステンレス鋼板で同一形状に形成され
ており、インダクタ電極４，４′とインダクタ電
極４″，４とが回転絶縁円板３の直径上相対し
た位置において各導電性電荷搬送用接触子１の通
過する通路を挟んで対称に配置されている。イン
ダクタ電極４，４′は互いに分離して位置決めさ
れ、そして図示したように大きさの等しく極性の
異なる電圧を印加するように適当な電源に接続さ
れており、またインダクタ電極４″，４も同様
に互いに分離して位置決めされ、そして大きさの
等しく極性の異なる電圧を印加するように適当な
電源に接続されている。またインダクタ電極は同
心的に配置されているが、各導電性電荷搬送用接
触子１の入る側および出る側の端部は電力線の乱
れを少なくするため多少広げられるべきである。

５は回転絶縁円板３に設けた各導電性電荷搬送
用接触子１の接触部２と接触して各導電性電荷搬
送用接触子１を接地するように作用する導電性弾
性材料からなる電荷供給側ベルト状部材であり、
また５′は電荷供給側ベルト状部材５から供給さ
れた各導電性電荷搬送用接触子１上の電荷を受け
る導電性弾性材料からなる電荷受取側ベルト状部
材であり、両部材５，５′は同一形状をもち、イ
ンダクタ電極４〜４の設けられた位置の外側に
おいて回転絶縁円板３の直径上相対する位置に位
置決めされ、そしてそれぞれ導電性材料から成る
回転自在の一対のプーリ６，６′に掛けられ、各
ベルト状部材５，５′が回転絶縁円板３の外周の
ある長さ範囲にわたつて適当な押圧力で各導電性
電荷搬送用接触子１の接触部２と摩擦接触させ、
回転絶縁円板３の周速度と同速度で駆動されるよ
うに構成されている。

電荷供給側ベルト状部材５は一対のプーリ６を
介して接地され、一方、電荷受取側ベルト状部材
５′は一対のプーリ６′を介して高電圧出力端子
HVに接続されている。高電圧出力端子HVに接続
される出力回路は適用される負荷に応じて任意適
当に設計され得る。

電荷供給側ベルト状部材５および電荷受取側ベ
ルト状部材５′の各々を構成している導電性弾性
材料としては例えばカーボン粉末を含ませた合成
ゴムを使用することができるが、適度の導電性を
もち軽くて弾力性があり、各導電性電荷搬送用接
触子１の接触部２と接触する際に衝撃がなく円滑
に接触して確実に電位を伝導できるものであれば
よい。こうして構成された装置は、好ましくは高
圧のSF₆ガスのような絶縁性ガスの雰囲気内に収
納して動作するようにされ得る。

このように構成された図示装置の動作、特に電
荷をどのように搬送して高電圧を発生させるかに
ついて以下説明する。

回転絶縁円板３は電動機またはその他の駆動手
段（図示してない）によつて所要の回転速度で矢
印で示すように回転される。

各導電性電荷搬送用接触子１は、インダクタ電
極４，４′の部位を通過する際に、接地された電
荷供給側ベルト状部材５と接触するので接地電位
にあり、電源の負の端子に接続されて負電位−Ｅ
にあるインダクタ電極４′を通過する際に静電誘
導により各導電性電荷搬送用接触子１の円柱状部
の表面に正の電荷が現れる。この正の電荷は、導
電性電荷搬送用接触子１が接地された電荷供給側
ベルト状部材５から離れ、接地電位から遮断され
ても火花の発生なしにそのまま維持されている。
こうして正の電荷をもつた各導電性電荷搬送用接
触子１は、高電圧出力端子側のインダクタ電極
４″へ入つてゆきそして高電圧出力端子HVに接続
された電荷受取側ベルト状部材５′と接触する際
に各導電性電荷搬送用接触子１上の正の電荷が電
荷受取側ベルト状部材５′へ流れ込む。こうして
次々に各導電性電荷搬送用接触子１によつて電荷
受取側ベルト状部材５′へ正の電荷が運び込まれ
て静電容量の関係式Ｖ＝Ｑ／Ｃに従つて高電圧が
発生される。ここで負荷がゼロであるとすると、
発生電圧は無限に増大していくことになるが、実
際の使用において負荷のレベルに応じて電荷供給
側の電圧をその負荷に見合つたレベルに調整する
ことにより出力側の電圧を所望の高電圧に維持す
ることができる。この場合、インダクタ電極４″
内においてはインダクタ電極４′におけると全く
同じ電位関係にあるので、火花放電を発生するこ
とはない。そして正の電荷をもつた各導電性電荷
搬送用接触子１がインダクタ電極４″から出てイ
ンダクタ電極４へ移行する際に各導電性電荷搬
送用接触子１の正の電荷は電荷受取側ベルト状部
材５′によつて高電圧出力端子HVへ送り込まれ
る。その後、各導電性電荷搬送用接触子１は電源
の正の端子に接続されて正電位＋Ｅにあるインダ
クタ電極４を通過するとき、静電誘導により各
導電性電荷搬送用接触子１の円柱状部の表面に負
の電荷が現れる。こうして負の電荷をもつた各導
電性電荷搬送用接触子１は再びインダクタ電極４
に入り、そして電荷供給側ベルト状部材５と接触
して負の電荷を接地させる。この動作を何回も次
から次へと繰返すことにより、高電圧出力端子
HVにおいて所望の高電圧を得ることができる。

なお、電荷が各導電性電荷搬送用接触子１によ
つて不連続に運ばれるために生じる電流リツプル
は回転絶縁円板３の回転速度を大きくとることに
より十分に小さくできる。

次に、第２図を参照して具体例について示す
と、6.5気圧のSF₆ガス中で、外径2.6cm、長さ５
cmの円柱状部をもつ導電性電荷搬送用接触子を直
径22cmの回転絶縁円板の表裏にそれぞれ16個づづ
設け、1750r.p.m.の回転速度で回転させ、電荷供
給側インダクタ電極および電荷受取側インダクタ
電極の印加電圧をそれぞれ正負の18KVとしたと
き、高電圧出力端子において接地した状態ではＡ
で示すように出力電流460μＡが得られ、高電圧
出力端子の電圧を300KVに保つた場合にはＢで示
すように430μＡが得られた。そしてこの時の電
流リツプルは480c／ｓで10^-3程度の大きさであつ
た。

なお、電圧を上げるつれて供給電流が低下する
のは、電圧の発生に伴つて各インダクタ電極内部
に外部から電界が侵入するため誘電効果が減殺さ
れるからである。

各インダクタ電極に印加する電圧と出力電流と
の関係は第２図に示すように完全に比例し、高電
圧出力端子を接地した状態では、グラフの原点を
通る直線となる。また高電圧出力端子の電圧を
300KVに保つた場合には上述の理由で電流は一定
量だけ減少する。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明よる直流高電
圧発生用電荷搬送装置おいては、各導電性電荷搬
送用接触子に対して電荷供給側ベルト状部材およ
び電荷受取側ベルト状部材が弾性的に接触するよ
うに構成しているので、電荷供給側ベルト状部材
および電荷受取側ベルト状部材と各導電性電荷搬
送用接触子との接触し始めおよびし終りの衝撃を
非常に小さくでき、長期間安定した動作を保証す
ることができ、また互いに逆極性の電圧を印加し
た一対のインダクタ電極を電荷供給側と電荷受取
側とにそれぞれ対称に設けているので、火花放電
を起すことなしに極めて円滑に電荷の授受がで
き、その結果所望の安定した直流高電圧を容易に
確実に発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略部分断面
図、第２図は本発明の装置の特性を示すグラフで
ある。 図中、１：導電性電荷搬送用接触子、２：接触
部、３：回転絶縁円板、４〜４：インダクタ電
極、５：電荷供給側ベルト状部材、５′：電荷受
取側ベルト状部材、６，６′：プーリ、HV：高電
圧出力端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転絶縁円板と、この回転絶縁円板の周縁部
   に沿つて同一円周上に等間隔に設けられ、各々円
   柱状の電荷搬送部を備えた多数の導電性電荷搬送
   用接触子と、回転自在の一対のプーリに掛けら
   れ、上記回転絶縁円板に設けた各導電性電荷搬送
   用接触子と摩擦接触して各導電性電荷搬送用接触
   子を接地させる導電性弾性材料からなる接地され
   た電荷供給側ベルト状部材と、上記接地された電
   荷供給側ベルト状部材に対して上記回転絶縁円板
   の直径上に相対して位置し、回転自在の一対のプ
   ーリに掛けられ、上記回転絶縁円板に設けた各導
   電性電荷搬送用接触子と摩擦接触して上記回転絶
   縁円板に設けた各導電性電荷搬送用接触子から電
   荷を受取る導電性弾性材料からなる電荷受取側ベ
   ルト状部材と、少なくとも上記各導電性電荷搬送
   用接触子と上記電荷供給側ベルト状部材および電
   荷受取側ベルト状部材とが接触する領域にわたつ
   て上記各導電性電荷搬送用接触子の通過する通路
   を挟んでそれぞれ設けられた同一形状の電荷供給
   側インダクタ電極および電荷受取側インダクタ電
   極とを有し、上記電荷供給側インダクタ電極およ
   び電荷受取側インダクタ電極の各々を分割されか
   つ互いに逆極性で同じ大きさの電圧の印加された
   二つの板状電極部材で構成し、全体を絶縁性ガス
   雰囲気内に収容したことを特徴とする直流高電圧
   発生用電荷搬送装置。