(57)【要約】  例えば、空気（ガス）イオナイザによって発生された空気中のイオンの存在に起因する電流の測定によって正および負のイオン発生率、したがって、イオン濃度を同時にモニタするイオンバランスモニタである。加えて、このモニタは、上記電流を比較することによってイオンバランスを検査する。この方法によって得られた情報は、イオナイザのリアルタイムモニタに使用することができる。両極性のイオンのバランスおよび発生率は、イオナイザの種類にかかわらず、このイオンモニタによって記録することができる。このイオンモニタは、イオナイザを平行に保つために必要とされるフィードバック信号を与えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）互いに電気的に分離された複数の導電性セクションからなる表面を規定する手段、
ｂ）前記セクションのそれぞれに正および負のバイアス電位を印加する手段、
ｃ）前記表面が置かれるイオンフィールドから前記各セクション上に衝突するイオンに応答して前記セクションに発生する正および負の電流を測定する手段、とからなるイオンバランスモニタ。
【請求項２】
正および負の電流を測定する前記手段が、正および負のイオン電流を、前記セクションに達する正および負のイオンの量に関する情報を含む正および負のイオン電圧信号に変換する手段からなる請求項１に記載のイオンバランスモニタ。
【請求項３】
正および負のイオン電圧信号を加算してイオンバランスオフセットを決定する手段をさらに含む請求項２に記載のイオンバランスモニタ。
【請求項４】
イオンバランスを利用してフィードバック制御信号を与える手段をさらに含む請求項２に記載のイオンバランスモニタ。
【請求項５】
正のバイアス電位が印加される各セクションが負のバイアス電位が印加される２つのセクションの間に配置され、負のバイアス電位が印加される各セクションが正のバイアス電位が印加される２つのセクションの間に配置されている請求項１に記載のイオンバランスモニタ。
【請求項６】
ａ）互いに電気的に分離された複数の導電性セクションからなる表面を準備し、
ｂ）前記セクションのそれぞれに正および負のバイアス電位を印加し、
ｃ）前記表面が置かれるイオンフィールドから前記各セクション上に衝突するイオンに応答して前記セクションに発生される正および負の電流を測定する、ことからなるイオンバランスモニタ方法。
【請求項７】
正および負の電流の測定が、正および負のイオン電流を、前記セクションに達する正および負のイオンの量に関する情報を含む正および負のイオン電圧信号に変換することからなる請求項６に記載の方法。
【請求項８】
正および負のイオン電圧信号を加算してイオンバランスオフセットを決定することをさらに含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
イオンバランスを利用してフィードバック制御信号を与えることをさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
正のバイアス電位が印加される各セクションが負のバイアス電位が印加される２つのセクションの間に配置され、負のバイアス電位が印加される各セクションが正のバイアス電位が印加される２つのセクションの間に配置されるように、前記表面が与えられる請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
ａ）イオン化された雰囲気に露呈されるべく形成され、互いに電気的に分離された複数のコレクタセクションからなる帯電プレート、
ｂ）複数のコレクタセクションの半数に正のバイアス電圧を印加してイオン化された雰囲気から負のイオンを引き付け、よってコレクタセクションの前記半数に負の電流を発生させる手段、
ｃ）前記複数のコレクタセクションの残る半数に負のバイアス電圧を印加し、イオン化された雰囲気から正のイオンを引き付けて、コレクタセクションの前記残る半数に正の電流を発生させる手段、
ｄ）それぞれ入力および出力を有する第１および第２のブランチからなる処理回路、
ｅ）前記第１回路ブランチの入力に負の電流を加える手段、
ｆ）前記第２回路ブランチの入力に正の電流を加える手段とからなり、
ｇ）前記処理回路の前記第１および第２ブランチのそれぞれが、それぞれ負および正のイオン電流を対応する負および正の電圧信号に変換して、これらの信号からバイアスを除き、
ｈ）その結果、前記処理回路の前記第１および第２ブランチの出力が、帯電プレートのコレクタセクションに吸引された負および正のイオンの量に関する情報を含むそれぞれ負および正のイオン電圧信号であるイオンバランスモニタ。
【請求項１２】
前記処理回路の前記第１および第２ブランチの出力に作用的に接続され、負および正のイオン電圧信号を加算してイオンバランスオフセットを決定する手段をさらに含む請求項１１に記載のイオンバランスモニタ。
【請求項１３】
雰囲気のイオン化を制御するフィードバック信号を与えるために前記加算手段に作用的に接続されたフィルタおよび積分回路をさらに含む請求項１２に記載のイオンバランスモニタ。
【請求項１４】
正のバイアス電位が印加される各コレクタセクションが負のバイアス電位が印加される２つのコレクタセクションの間に配置され、負のバイアス電位が印加される各コレクタセクションが正のバイアス電位が印加される２つのコレクタセクションの間に配置されている請求項１１に記載のイオンバランスモニタ。
【請求項１５】
正および負のイオンを雰囲気中に与えるイオナイザを制御する方法であって、
ａ）雰囲気中の正イオンをサンプリングして、イオナイザの正イオン発生率を表わす正イオン電圧信号を与え、
ｂ）同時に雰囲気中の負イオンをサンプリングして、イオナイザの負イオン発生率を表わす負イオン電圧信号を与え、
ｃ）正および負イオン電圧信号を加算してイオンバランスパラメータを与え、
ｄ）イオンバランスパラメータがゼロに等しくない場合にイオナイザの出力を調節すること、からなるイオナイザ制御方法。
【請求項１６】
前記正イオンをサンプリングし、同時に負イオンをサンプリングすることが、
ａ）電気的に分離された複数の導電性セクションからなる表面を準備し、
ｂ）前記セクションのそれぞれに正および負のバイアス電位を印加し、
ｃ）前記表面が置かれた雰囲気から前記各セクション上に衝突するイオンに応答して、前記セクション中に発生される正および負の電流から正および負のイオン電圧信号を与えること、からなる請求項１５に記載のイオナイザ制御方法。
【請求項１７】
ａ）正および負イオンを発生するイオナイザ、
ｂ）雰囲気中の正および負イオンを同時にサンプリングして、前記イオナイザの正および負イオン発生率を表わすそれぞれ正および負イオン電圧信号を与え、正および負イオン電圧信号を加算してイオンバランスパラメータを与えるイオンバランスモニタ、
ｃ）前記イオンバランスモニタに作用的に連結されて前記イオナイザにフィードバック制御信号を与え、イオンバランスパラメータがゼロに等しくないときに、前記イオナイザの出力を調整する手段と、からなる、雰囲気中に正および負のイオンを与えるシステム。
【請求項１８】
前記イオンバランスモニタが、
ａ）互いに電気的に分離された複数の導電性セクションからなる表面を規定する手段、
ｂ）前記セクションのそれぞれに正および負のバイアス電位を印加する手段、
ｃ）前記表面が置かれた雰囲気からのイオンの前記各セクションに対する衝突に応答して、前記セクションに発生された正および負の電流から前記正および負のイオン電圧信号を与える手段、とからなる請求項１７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権の主張］
本出願は、「イオンバランスモニタ」に関する２００４年１０月２９日付け仮出願第６０／６２３，６７０に基づく優先権主張を伴っており、この仮出願の内容を本出願において援用する。
【０００２】
本発明は、空気中のイオンバランスおよび濃度検出モニタに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
静電気の蓄積は、種々の製造工程および作業機器の操作において重大な問題を引き起こす。電荷の蓄積に対処する方法の１つは、保護されるべき物体の直近において、高度にイオン化された空気の空間域を形成することである。もし、これらの物体が帯電すると、反対極性の空気イオンを引き付け、これによって帯電を中和する。正および負の極性のイオンを含むイオン化された空気は、通常空気イオン化装置によって与えられる。このような装置は、その適正な機能を保証するために、定期的に検査されねばならない。そして、異常な環境においては、イオナイザの継続的なモニタが必要である。
【０００４】
空気（ガス）イオナイザの典型的な検査は、３つの部分からなる。最初の２つの検査は、所望の生産率レベルにおけるイオナイザの正および負のイオン発生能力を測定し、保護される物体を一定の時間範囲内において中和できるようにする。米国規格協会（ＡＮＳＩ）  ＥＳＤ  ＳＴＭ  ３．１−２０００基準（電子放電感受品目の保護−イオン化のＥＯＳ／ＥＳＤ協会基準、ＥＳＤ協会２０００）によれば、この能力は、特定の対地キャパシタンスを有する帯電プレートを特定の電圧レベル間で放電させるのに必要な時間によって決定されるこ。このため、そのプレートはまず最初の電圧レベルにあらかじめ帯電され、それから最初のテスト電圧の典型的には１０％まで放電させられる。この放電に要求される時間を初期電圧の両極性について記録する。これら２つの測定は、放電時間テストと呼ばれる。
【０００５】
イオナイザ検査の第三の部分は、電圧オフセット測定である。まず、検査プレートを接地短絡して残留電荷を除去する。それからこのプレートを地面から切り離して浮遊させる。プレート電圧の安定後に、プレート上で測定された電圧は、そのプレートに衝突する空気中のイオンによって集められた正味の電荷の結果である。安定化されたプレート電圧値は、試験プレートと同じサイズおよび構造をもつ物体がイオンフィールドに置かれたとき、そのイオンフィールドによって帯電される電圧レベルをも示す。
【０００６】
上述の従来方法を用いた空気（ガス）イオナイザの検査は、時間がかかり、イオナイザの継続的モニタに適用するには十分ではない。参考例として、２０００年１０月１０日発行の米国特許第６，１３０，８１５号「空気イオン化のモニタ方法および装置」、１９９６年４月９日発行の同５，５０６，５０７号「球体電極を用いたクリーンルーム内のガス流のイオン測定装置」、および２００２年８月１３日発行の同第６，４３３，５２２号「浮遊プレートモニタ」を挙げることができる。これらの開示内容は、本願において援用する。的確なモニタは、イオンバランス測定（電圧オフセットテスト）と両イオン極性に対するイオン発生率測定（放電時間テスト）を同時に行なう必要がある。従来の帯電プレートおよび帯電プレートモニタは、このような同時テストを行うことができない。通常、これらの装置は、電圧オフセットのみをモニタする。あるシステムにおいては、これに加えて、イオナイザにフィードバック信号を与える。このイオンインバランスに関するフィードバック情報は、イオナイザを制御するのに利用することができる。しかしながら、それは当該イオナイザが保護される物体を所望の時間内に放電させるのに十分な量のイオンを発生するかどうかを示すことはできない。それは電圧オフセットを示すことによってプレートに到達する正および負イオンの比に関する情報のみを与える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、この発明の方法および装置の目的は、以下の１．２．３．を提供することによって従来技術の方法および装置の欠点を克服することである。
１．イオンフィールド内に設置し得るイオン電流検出装置。
２．感知電極表面に衝突する正および負のイオンの量に対応する出力信号を同時に与えるイオン検出器。
３．検出信号を処理して、正および負のイオン電流をモニタし、記録し、制御情報を与える電気回路。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明、すなわち、新しいタイプのイオンバランスモニタは、空気中のイオン（例えば、空気（ガス）イオナイザによって発生させられる）の存在に起因する電流を測定することによって、正および負のイオン発生率（したがって、イオン濃度）を同時にモニタすることができる。これに加えて、このイオンモニタは、上述の電流を比較することによってイオンバランスを検査する。この方法によって得られた情報は、イオナイザのリアルタイムなモニタに使用することができる。両極性のイオンのバランスおよび発生率は、イオナイザの種類に関係なく、この新しいイオンモニタによって記録することができる。この新しい装置の実用性と堅牢性を標準帯電プレートモニタユニットによって検証した。このイオンモニタは、イオナイザを検査するのに必要な時間を短くすることができ、さらに、イオナイザを平行に保つのに要求されるフィードバック信号を与えることができる。
【０００９】
この発明の付加的な適応例としては、ガスのある環境において、如何なるイオンバランスおよびイオン濃度の測定およびモニタリングも可能である。
【００１０】
本発明の前述および他の利点および特徴は、添付の図面とともに以下の詳細な説明によって明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、以下に記述する実施例に限定されるものではなく、種々の変更例が本発明の範囲を逸脱することなく可能であることが理解されるべきである。
【００１２】
図１は、帯電プレート１を備えた本発明によるイオン収集装置の斜視図である。図２ａ、ｂは本発明によるイオン収集プレート１の２つの実施例の平面図である。プレート１は互いに電気的に分離された導電物質（例えば、金属）からなるコレクタセクション２を有する。電気的（および物理的）な分離は例えば、任意の誘電体および／または静電放散物質３を使用するとによって可能である。図２ａは一例として、１２個のセクション２からなるプレート１を示す。図２ｂは４つのコレクタセクション２を示す。これらのセクションは他の平面形状、立体形状、あるいは他の所望の二次元および三次元形状を有することができる。これらのコレクタセクションは正または負の電圧を印加することによってバイアスをかけてある。加えられた電圧値は、正および負の極性において可調節である。各正に帯電されたセクションは、負に帯電された２つのセクションの間に介在し、各負に帯電されたセクションは、２つの正に帯電されたセクションの間に介在し、プレート全体は図２ａおよびｂに示されるように、交互に正および負の電位域を有している。プレートのすべての正にバイアスされたセクションは、すべて図３に示す連結点５に電気的に接続されている。すべての負にバイアスされたセクションは、すべて図３の連結点４に電気的に接続されている。
【００１３】
プレート１のイオン収集用コレクタセクション２は、印加電圧によって予めバイアスされている。正にバイアスされたセクションは、周囲のガス環境内に存在する負のイオンを引き付ける。その結果、プレート１のすべての正のセクションから点５に向かってイオン電流が流れる。同様の現象が予め負にバイアスされたセクション上においても生じる。正のイオン電流は点４から流れる（正イオンによる電流は負電位から正の電位へ流れる）。各点におけるイオン電流は、図４に示されるイオンバランスモニタ装置の制御回路に入力として与えられる。
【００１４】
図４に示すように、接続点４における負のイオン電流はレジスタ６、８、キャパシタ７、および演算増幅器９からなる前置増幅器に与えられる。同時に、接続点５における正のイオン電流は、レジスタ２７、３０、キャパシタ２９、および演算増幅器３１からなる前置増幅器に流れる。可調節電源１１および３２が、接続点１０および２８を介してイオン収集プレートに予めバイアスをかけるのに使用される。負および正のイオン電流は、前置増幅器を通過後、対応する電圧信号に変換される。負の電流信号はそれからレジスタ１３、１４、１５、１６および演算増幅器１７からなる差動増幅器に流れ、そこで、この信号から正のバイアス電圧が差し引かれて、その結果の値が変換される。この方法によって、負のイオン入力電流が演算増幅器１７の出力において電圧（表示）として得られる。このように、前置増幅器および差動増幅器がこの制御回路の第１ブランチを構成し、その入力端は接続点４であり、出力端は差動増幅器の出力端である。
【００１５】
同様にして、正のイオン電流の電圧表示は、演算増幅器３６において得られる。演算増幅器３６からなる差動増幅器の出力は、本制御回路の第２ブランチの出力である。この第２のブランチは接続点５を有し、関連する前置増幅器および差動増幅器からなる。両電圧信号は帯電プレートイオン収集プレートに到着するイオンの量を決定するために使用される。これによって、イオナイザの効率に関する情報が得られる。これらの正および負のイオン電圧信号が抵抗１８、１９、２０、３７、および演算増幅器２１からなる加算増幅器において加算されると、イオンバランスオフセットを決定することができる。レジスタ２２、２３および演算増幅器２４からなるバッファを通過した後、イオンバランス情報をこの装置の操作者のために表示することができ、さらに、イオナイザにおけるイオンバランスの調節のために使用することもできる。これは、例えば、レジスタ２５およびキャパシタ２６からなるローパスフィルタ回路、およびレジスタ４５、４８、キャパシタ４６、演算増幅器４７からなる積分回路によって実現するとができる。これらの２つの回路は、イオナイザ５０の回路４９をターミナル４４を介して制御するために与えられるフィードバック信号を調整するために使用される。
【００１６】
本発明の装置は、イオナイザの動作を特徴付けるすべての３つのパラメータ、すなわち正イオン発生率、負イオン発生率、およびイオンバランスを同時に測定する。帯電プレートの正および負にバイアスされたセクション上の記録されたイオン電流の大きさは、プレート近くにおける両極性のイオン発生率、したがって、イオン濃度についての情報を与える。イオン電流は対応する放電時間で校正することができる。ＥＯＳ／ＲＳＤ協会技術レポート：イオナイザ電圧オフセット電圧および放電時間の交互測定技術、ＥＳＤ  ＴＲ１３−０２、ＥＳＤ協会２００２（先に述べた標準ＡＮＳＩ  ＥＳＤ  ＳＴＭ３．１−２０００によって推奨された測定と等価）を参照。両イオン電流の比較は、イオンバランスについての情報を与える。すなわち、もし負および正のイオン電流の和がゼロに等しければ、そのイオナイザはイオンバランスモニタの近くにおけるイオンバランスを呈する。もし、この和がゼロと異なれば、この情報をさらに処理して、イオナイザの出力調整のために使用することができる。
【００１７】
このようにして、本発明の方法および装置は、改良された空中イオンバランスおよび濃度検出モニタを提供する。本発明は、装置が設置された空気または他のいかなるガス環境においても、正および負のイオン濃度の直接継続的測定および定量的評価を可能にする。現在用いられている方法および装置、例えば、帯電プレートモニタに接続された帯電プレートおよびイオンバランスモニタは、単一の検出素子上に衝突する正および負のイオンの統一された結合効果を検出することは可能であるが、特定極性のイオン電流に関する同時情報を与えることはできない。本発明の方法および装置は、正および負のイオン濃度の同時分離を可能にし、各種類のイオンによって生じる電流の直接測定を行なうものである。
【００１８】
したがって、本発明は、その意図した目的を達成することは明瞭である。本発明の実施例を詳細に述べたが、これは説明のためであって、本発明の構成を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明によって構成された帯電プレートをもつイオン収集装置の斜視図である。
【図２】ａは帯電プレートの一形態の平面図、ｂは帯電プレートの他の形態の平面図である。
【図３】図２ｂと同様の図で、帯電プレートの各セクション間の電気接続を示す。
【図４】イオンバランスモニタ装置の回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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