(57)【要約】【課題】イオン化空気中のイオン量を高精度で測定し得るようにし、イオン化空気を被除電部材に吹き付けながらイオン化空気中のイオン量を測定し得るようにする。【解決手段】イオン量測定装置２０は、放電電極１１と放電電極としてのノズル１２とを有するイオン生成器１０により生成されたイオン化空気中の搬送イオン量を測定するために使用される。イオン量測定装置２０は円筒電極２２を有しており、この円筒電極２２の長さをｌ、電極２２を流れる空気の流速をU、円筒電極に流れる検出電流をＩｍ、時定数をτとすると、検出電流Ｉｍを電流検出器３３により検出することにより、搬送イオン電流I０は2012026850.tif 000019により演算される。【選択図】図１
2012026850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン化空気中のイオン量を電極により測定するイオン量測定装置であって、
前記電極の長さをl、空気の流速をU、前記電極に流れる検出電流をＩｍ、時定数をτとし、搬送イオン電流I０を
2012026850.tif 000018
により算出することを特徴とするイオン量測定装置。
【請求項２】
請求項１記載のイオン量測定装置において、前記電極はイオン化空気が通過する通過孔が形成された円筒電極であることを特徴とするイオン量測定装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のイオン量測定装置において、放電電極および当該放電電極との間でイオン生成空間を形成する対向電極を有し、前記放電電極と前記対向電極に交流電圧を印加してコロナ放電により前記イオン生成空間の空気をイオン化するイオン生成器を有し、前記イオン生成空間から噴出されたイオン化空気が通過する前記電極の長さは、前記イオン生成空間において生成される正イオン群の発生期間と負イオン群の発生期間との間のイオン群間期間と空気の流速とにより求められるイオン群間距離よりも短い長さであることを特徴とするイオン量測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン量測定装置において、イオン化空気の流速を検出する流速検出手段を有することを特徴とするイオン量測定装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン量測定装置において、それぞれイオン化空気中のイオン量を測定するとともに相互にイオン化空気の流れ方向にずらして配置される第１と第２の電極を有し、前記第１の電極に流れる検出電流と、前記第２の電極に流れる検出電流との検出電流の検出時間差により空気の速度を算出することを特徴とするイオン量測定装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン量測定装置において、空気の流速を設定する流速設定手段を有することを特徴とするイオン量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコロナ放電によりイオン化された空気中のイオン量を測定するイオン量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電気が帯電した帯電体を被除電部材としてこれに空気イオンを吹き付けて被除電部材を除電する静電気対策として、イオナイザーあるいは除電装置とも言われるイオン生成装置が使用されている。電子部品の製造や組立を行う製造ラインに使用されるイオン生成装置は、電子部品や製造組立治具等を被除電部材として、これに帯電した静電気を除去するために使用されている。被除電部材に空気イオンを吹き付けることにより、電子部品等に静電気により異物が付着したり、電子部品が静電気により破壊されたり治具に付着したりすることを防止できる。
【０００３】
このような用途に使用されるイオン生成装置は、針状の放電電極に外部から圧縮空気を供給した状態のもとで、放電電極と対向電極との間に交流電圧を印加し、放電電極の回りにコロナ放電を発生させることによって空気をイオン化している。交流電圧を両電極に印加する交流コロナ放電方式によりイオンを発生させるようにすると、正イオンと負イオンとが周期的に発生することになる。
【０００４】
正イオン量と負イオン量を同時に測定するようにした正負イオン量測定装置が特許文献１に記載され、イオン化された空気の中に含まれるイオン量を測定するようにした除電装置が特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１３１０９号公報
【特許文献２】特開２００５−１６６２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された正負イオン量測定装置は、対となった電極筒と集電極とを有する２対の検出器を有し、一方の検出器でイオン化空気中の正イオン数に対応した電流値を測定し、他方の検出器で負イオン数に対応した電流値を測定することにより、イオン化空気中の正イオンと負イオンの量を測定するようにしている。このイオン量測定装置は、イオン生成装置の性能を試験するための測定装置であり、イオン生成装置により生成されたイオン化空気中の全てのイオン数に対応した電流値により正イオン量と負イオン量とを測定するようにしている。このように、特許文献１のイオン量測定装置は、イオン化空気中のイオンが全て測定のために使用されることになるので、実際にイオン生成装置が使用されているときには、イオン化空気中のイオン量を測定することができない。
【０００７】
一方、特許文献２に記載された除電装置においては、イオン化空気を中空状のコイルに通過させてコイルに電流を流すようにし、コイルに流れる電流によりコイルに発生する磁界を検出することにより、イオン量を測定するようにしている。しかしながら、イオン化空気中に含まれるイオン量は微弱であり、コイルに流れる電流によりイオン量を高精度に測定することはできない。
【０００８】
本発明の目的は、イオン化空気中のイオン量を高精度で測定し得るようにすることにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、イオン化空気を被除電部材に吹き付けながらイオン化空気中のイオン量を高精度で測定し得るようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のイオン量測定装置は、イオン化空気中のイオン量を電極により測定するイオン量測定装置であって、前記電極の長さをl、空気の流速をU、前記電極に流れる検出電流をＩｍ、時定数をτとし、搬送イオン電流I０を
2012026850.tif 000003
により算出することを特徴とする。
【００１１】
本発明のイオン量測定装置は、前記電極はイオン化空気が通過する通過孔が形成された円筒電極であることを特徴とする。本発明のイオン量測定装置は、放電電極および当該放電電極との間でイオン生成空間を形成する対向電極を有し、前記放電電極と前記対向電極に交流電圧を印加してコロナ放電により前記イオン生成空間の空気をイオン化するイオン生成器を有し、前記イオン生成空間から噴出されたイオン化空気が通過する前記電極の長さは、前記イオン生成空間において生成される正イオン群の発生期間と負イオン群の発生期間との間のイオン群間期間と空気の流速とにより求められるイオン群間距離よりも短い長さであることを特徴とする。本発明のイオン量測定装置は、イオン化空気の流速を検出する流速検出手段を有することを特徴とする。本発明のイオン量測定装置は、それぞれイオン化空気中のイオン量を測定するとともに相互にイオン化空気の流れ方向にずらして配置される第１と第２の電極を有し、前記第１の電極に流れる検出電流と、前記第２の電極に流れる検出電流との検出電流の検出時間差により空気の速度を算出することを特徴とする。本発明のイオン量測定装置は、空気の流速を設定する流速設定手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、イオン化空気中のイオンにより電極に流れる電流を検出し、電極の長さと空気の流速と時定数により求められる変換係数を検出電流に積算することにより搬送イオン電流が求められ、搬送イオン電流に応じた搬送イオン量を高精度に演算することができる。これにより、イオン化空気を被除電部材に吹き付けながら搬送イオン量を高精度に演算することができる。
【００１３】
本発明によれば、放電電極と対向電極との間でイオン生成空間が形成されるイオン生成器から被除電部材にイオン化空気を吹き付けながらイオン化空気中の搬送イオン量を測定することができる。検出電流を測定するための電極の長さを、イオン化空間において生成される正イオン群の発生期間つまり発生時間と負イオン群の発生期間との間のイオン群間期間と空気の流速とにより求められるイオン群間距離よりも短い長さに設定することにより、搬送イオン量を高精度に測定することができる。
【００１４】
空気の流速は、電極に供給される空気の流速を検出するようにしても良く、予め一定の流速で電極に空気を供給するようにしても良い。また、電極を２つ配置して両方の電極による電流の検出時間差によって流速を検出するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態であるイオン量測定装置を示す断面図である。
【図２】イオン生成器に供給される印加電圧と、それに応じたイオン群の発生状態を示すタイムチャートである。
【図３】イオン生成空間における正イオン群と負イオン群の発生周期を示すタイムチャートである。
【図４】図１に示されたイオン量測定装置の基本構造を示す概略図である。
【図５】本発明の他の実施の形態であるイオン量測定装置の基本構造を示す概略図である。
【図６】（Ａ）はイオン量測定装置により円筒電極の長さを相違させて正イオンのイオン電流を検出した場合における検出電流の変化を示すイオン電流特性線図であり、（Ｂ）は負イオンの電流を検出した場合における検出電流の変化を示すイオン電流特性線図である。
【図７】印加電圧の周波数を相違させた場合におけるイオン群の長さとイオン群間距離との関係を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１にはイオン量測定装置が装着されたノズル型のイオン生成器１０が示されている。このノズル型のイオン生成器１０は放電電極１１が組み込まれたノズル１２を有し、ノズル１２は放電電極１１と同様に導電性材料により形成されて対向電極を構成している。放電電極１１は樹脂等の絶縁材料からなるホルダー１３に取り付けられ、ホルダー１３にはノズル１２が取り付けられている。
【００１７】
ノズル１２内にはイオン生成空間１４が形成されており、このイオン生成空間１４にはホルダー１３に形成された空気供給ポート１５から空気が供給されるようになっている。放電電極１１とノズル１２は交流高圧電源１６に電気的に接続されており、交流高圧電源１６から放電電極１１と対向電極であるノズル１２とに交流高電圧を印加すると、放電電極１１の先端部に沿ってイオン生成空間１４内を流れる空気はコロナ放電によりイオン化される。イオン化空気はノズル１２の先端の噴出口１７から下流側に噴出される。空気供給ポート１５には、空気圧源１８から流路１９により圧縮空気が供給される。
【００１８】
ノズル１２の先端部にはイオン量測定装置２０が装着されており、イオン生成器１０から被除電部材にイオン化空気が吹き付けられている状態のもとで、常にイオン化空気中のイオン量を測定することができる。ただし、イオン量測定装置２０をノズル１２に対して着脱自在とし、イオン生成器１０にその組立製造時やメンテナンス時等にイオン量測定装置２０を装着して、ノズル１２から試験的に噴出されるイオン化空気中のイオンを測定するようにしても良い。
【００１９】
イオン量測定装置２０はノズル１２に装着されるケース体２１を有している。このケース体２１は導電性材料により形成され、円筒部２１ａとその両端部に設けられた端板部２１ｂ，２１ｃとを有している。ケース体２１はアース線により接地されており、一方の端板部２１ｂがノズル１２の先端部に装着される。ケース体２１の内部には導電性材料からなる円筒電極２２が配置されており、円筒電極２２は噴出口１７から噴出されたイオン化空気が通過する通過孔２３を有し、この通過孔２３は噴出口１７と同軸となっている。円筒電極２２の両端面には絶縁材料からなる環状の支持板２４，２５が突き当てられており、それぞれの支持板２４，２５の外周面はケース体２１の内周面に当接している。ケース体２１の端板部２１ｂと支持板２４との間にはスペーサ２６が配置され、端板部２１ｃと支持板２５との間にはスペーサ２７が配置されている。それぞれのスペーサ２６，２７は導電材料により形成されており、通過孔２３に対応した通過孔２６ａ，２７ａを有している。ただし、それぞれのスペーサ２６，２７を絶縁材料により形成するようにしても良い。
【００２０】
下流側のスペーサ２７の下流側端部は端板部２１ｃに固定されており、下流側端部の開口部は被除電部材に対してイオン化空気を噴射する噴射口２８となっている。これにより、イオン生成空間１４に供給された空気はイオン生成空間１４においてコロナ放電によりイオン化され、イオン化空気はイオン量測定装置２０内の円筒電極２２の通過孔２３にスペーサ２６の通過孔２６ａを介して流入した後に、スペーサ２７の通過孔２７ａの噴射口２８から外部に噴出される。
【００２１】
イオン化空気を案内する通過孔２３が形成された金属製つまり導電性を有する円筒電極２２と、この円筒電極２２が組み込まれるとともに円筒電極２２に対して電気的に絶縁された金属製つまり導電性を有し接地されたケース体２１とにより、ファラディーケージの機能を有する測定器本体２９が構成されている。イオン化空気が円筒電極２２の通過孔２３内を流れると、円筒電極２２にイオン電流が流れる。
【００２２】
ケース体２１と円筒電極２２にはそれぞれケーブル３１，３２により電流検出器３３に接続されている。円筒電極２２の電位を測定系のインピーダンスで割ることにより、電流検出器３３によってイオン化空気中のイオン量に応じたイオン電流が検出される。検出されたイオン電流つまり検出電流に基づいてイオン生成空間１４において生成され通過孔２３まで搬送された搬送イオン量が演算部３４において演算され、演算結果は表示部３５に表示される。イオン生成空間１４から円筒電極２２の通過孔２３に流れるイオン化空気の流速を測定する流速測定手段として流速検出器３６が流路１９に設けられており、流速検出器３６からの信号はケーブル３７により演算部３４に送られるようになっている。ただし、流速検出器によりイオン生成空間１４内の流速または円筒電極２２内の流速を直接検出するようにしても良い。
【００２３】
図２はイオン生成器の放電電極と対向電極に供給される印加電圧と、それに応じたイオン群の発生状態を示すタイムチャートである。放電電極１１と対向電極としてのノズル１２に交流電圧を印加してコロナ放電により空気をイオン化させると、イオン生成空間１４には正イオン群と負イオン群とが交互に生成されることになる。それぞれのイオン群は、イオン生成空間１４を流れる空気によって一定の長さｌ１となるとともに、正イオン群と負イオン群は一定のイオン群間距離ｌ２を隔てて連なった状態となる。
【００２４】
イオン生成器１０に供給される印加電圧のピーク値を±Ｖ０、波形を正弦波交流とすれば印加電圧はＶ０sinθで表される。その周波数をｆとし、放電開始終了電圧を±Ｖ１とし、イオン空気の流速をＵとし、イオン群の発生期間つまり発生時間をｔ１とし、イオン群間期間をｔ２とすると、イオン群長さｌ１は、ｌ１＝Ｕｔ１により求められ、イオン群間距離ｌ２は、ｌ２＝Ｕｔ２により求められる。
【００２５】
図２において、θ１を正の放電開始角、θ２を正の放電終了角、θ３を負の放電開始角、θ４を負の放電終了角とすると、
Ｖ１＝Ｖ０sinθ１
sinθ１＝Ｖ１／Ｖ０
θ１＝sin-1（Ｖ１／Ｖ０）
となるので、イオン群間期間ｔ２は、
2012026850.tif 000004
により求められ、イオン群間距離ｌ２は以下の式(2)により求められる。
【００２６】
2012026850.tif 000005
なお、印加電圧の周期Ｔの値は、周波数ｆから求められる。
【００２７】
このように、イオン群間距離ｌ２は印加電圧の電圧±Ｖ０、放電開始終了電圧を±Ｖ１、印加電圧の周期Ｔ、およびイオン化空気の流速Ｕにより求められ、正イオン群と負イオン群のイオン群長さｌ１についても同様の式により求められる。
【００２８】
図１に示した円筒電極２２の通過孔２３の長さｌは、イオン群間距離ｌ２よりも短い長さに設定されている。
【００２９】
この通過孔２３の長さｌをイオン群間距離ｌ２よりも長く設定すると、円筒電極２２内には正イオン群と負イオン群とが同時に流入した状態が発生することになる。このため、印加電圧の周波数ｆを高くすると、流速Ｕを変えなくとも、正イオン群と負イオン群の一方の極性のイオンが円筒電極２２に完全に捕集される前に、後方の逆極性のイオンが円筒電極２２により捕集されることになるので、搬送イオン量を測定することができない。これに対し、印加電圧の周波数ｆに応じて、円筒電極２２の長さｌをイオン群間距離ｌ２よりも短く設定すると、円筒電極２２には一方の極性のイオンが完全に捕集された後に他の極性のイオンが捕集されることになるので、円筒電極２２に流れる電流値に基づいて正確にイオン量を測定することができる。
【００３０】
発明者等の実験により、イオン群が円筒電極２２の通過孔２３のようなチューブ内を流れる際における搬送イオン量の減衰が双曲線緩和法則と良い一致を示すことが判明している。つまり、円筒電極２２を流れる過程で双曲線緩和法則により徐々に電荷密度が減衰していると考えられる。
【００３１】
図４は図１に示されたイオン量測定装置の基本構造を示す概略図であり、イオン量測定装置における電荷密度の減衰モデルによる双曲線緩和法則は以下の式により表される。
2012026850.tif 000006
ただし、ρｉは初期電荷密度、ρは時間ｔにおける電荷密度、τは時定数を示す。また、時定数τは次式となる。
【００３２】
2012026850.tif 000007
ここで、ε０は真空の誘電率、μはイオンの移動度を表す。式(3)の時間を距離で置き換えると以下のように表される。
【００３３】
2012026850.tif 000008
ただし、ｄは搬送距離、Ｕはイオン平均流速を示す。
【００３４】
図４においては、イオン生成空間１４から搬送されるイオンの搬送イオン電流Ｉ０と、円筒電極２２により測定される検出電流Ｉｍと、円筒電極２２を通過して被除電部材に吹き付けられる除電電流Ｉとには、電流の連続から次のような関係がある。
2012026850.tif 000009
【００３５】
それぞれのイオン電流は次にように表される。
2012026850.tif 000010
2012026850.tif 000011
ただし、ρ０は搬送イオン電流Ｉ０の電荷密度とする。
【００３６】
電流の連続式(6)に式(7)と式(8)を代入すると、
2012026850.tif 000012
(5)式の搬送距離ｄを電極長さｌに置き換えると、
この式(9)のカッコは、式(5)により以下のように表される。
【００３７】
2012026850.tif 000013
したがって、式(9)に示される検出電流Ｉｍは、式(10)により以下のように表される。
2012026850.tif 000014
【００３８】
式(11)に示されるように、検出電流Ｉｍは空気の流速Ｕ等を一定とすると、円筒電極２２の長さによって変化することになる。印加電圧のピーク値を±４．５ｋＶ、印加電圧の周波数を１Hz、空気の流速Ｕを９０ｍ／ｓとした場合には、検出電流Ｉｍと円筒電極２２の長さとの関係は、式(11)により図６に示す特性線図のようになる。
【００３９】
印加電圧を上述した条件として、円筒電極２２の長さを１，３，５，１０ｍｍと変化させて、正イオン群と負イオン群のそれぞれについてイオン電流（検出電流）Ｉｍを測定したところ、式(11)に示した理論式とほぼ一致することが確かめられた。
【００４０】
したがって、円筒電極２２の長さを設定し、その長さと検出電流Ｉｍとの関係に基づいてイオン生成空間１４において生成された搬送イオンの搬送イオン電流Ｉ０を式(7)と式(11)から以下のようにして求めることができる。
2012026850.tif 000015
【００４１】
式(12)における右辺のＩｍを除いた値は、検出電流Ｉｍに積算することにより搬送イオン電流Ｉ０を求める変換係数であり、円筒電極２２の長さｌと、空気の流速Ｕと、時定数τとにより設定される一定値である。
【００４２】
式(12)は以下のように表すことができる。
2012026850.tif 000016
ただし、
2012026850.tif 000017
である。この式(13)に基づいて搬送イオン電流Ｉ０を演算するようにしても良い。
【００４３】
このように、検出電流Ｉｍを電流検出器３３により検出し、演算部３４により式(12)により変換係数に基づいて搬送イオン電流Ｉ０を演算することにより、搬送イオン電流Ｉ０を求めることができる。しかも、検出電流Ｉｍと搬送イオン電流Ｉ０から被除電部材に吹き付けられる実際のイオン量をもイオン電流Ｉから求めることもできる。このように、電流検出器３３に流れる検出電流Ｉｍは搬送イオン電流Ｉ０の一部であり、一部の電流から搬送イオン量を演算することができるとともに、検出に消費された残りのイオンを被除電部材に吹き付けることができる。これにより、イオン生成器１０を作動させて被除電部材にイオン化空気を吹き付けながら、イオン生成器１０により生成されるイオン量を測定することができる。
【００４４】
表示部３５には搬送イオン電流Ｉ０の値に応じた搬送イオン量が表示されることになるので、イオン化空気を被除電部材に吹き付けた状態のもとで、イオン生成器１０により生成されるイオン量を確認することができる。放電電極１１の摩耗等により放電性能が低下した場合には、表示部３５に表示される搬送イオン量によりイオン生成器１０の機能低下や異常発生が作業者に報知される。イオン生成器１０に機能低下が発生した場合には、ブザーや音声等により報知させるようにしても良い。
【００４５】
図５に示すイオン量測定装置は、イオン化空気の流れ方向にずらして配置される第１の円筒電極２２ａと第２の円筒電極２２ｂとを有しており、それぞれの円筒電極２２ａ，２２ｂの検出信号は電流検出器３３に送られる。これにより、第１の円筒電極２２ａに流れる検出電流Ｉ’ｍと、第２の円筒電極２２ｂに流れる検出電流Ｉｍの時間差により空気の流速を算出することができる。このように、イオン化空気の流速Ｕは、流速検出器３６からの検出信号に基づいて算出するようにしても良く、２つの円筒電極２２ａ，２２ｂに送られる信号の時間差に基づいて算出するようにしても良い。さらに、イオン生成空間１４に供給される空気の流速を流量制御弁等により一定の流速に設定するようにしても良く、その場合には流速Ｕの値は図示しないメモリに格納され、メモリから演算部３４に速度信号が送られることになる。送られた速度信号に基づいて上述した搬送イオン電流Ｉ０が演算される。
【００４６】
図７はイオン化空気の流速Ｕを９０ｍ／ｓとし印加電圧の周波数ｆを相違させた場合におけるイオン群長さｌ１とイオン群間距離ｌ２との関係を示す表である。例えば、印加電圧の周波数ｆを１０００Hzとすると、イオン群長さｌ１は２４．１ｍｍとなり、イオン群間距離ｌ２は２０．９ｍｍとなる。したがって、印加電圧の周波数を１０００Hzとする場合には、円筒電極２２の長さlは２０．９ｍｍ以下に設定される。他の周波数の印加電圧が使用される場合には、それぞれの周波数に応じて求められるイオン群間距離ｌ２よりも円筒電極２２の長さｌは短く設定される。
【００４７】
ファラディーケージを構成する円筒電極２２の長さｌを、印加電圧の周波数と空気の流速Ｕとに基づいてイオン群間距離ｌ２よりも短く設定することにより、円筒電極２２を流れる電流は、正負の極性の一方の極性のみのイオン群に基づいた電流値となる。しかも、それぞれのイオン群の一部のイオンが円筒電極２２を流れる検出電流Ｉｍから搬送イオン電流Ｉ０を算出して搬送イオン量を求めるようにしたので、イオン生成空間１４において生成された搬送イオン量を高精度で測定することができるとともに、搬送イオン量を測定しながらイオン化空気を被除電部材に吹き付けることができる。
【００４８】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図１にはノズル型のイオン生成器１０を示すが、ファン型のイオン生成器により生成されるイオン化空気のイオン量を測定するためにも本発明のイオン量測定装置を適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０    イオン生成器
１１    放電電極
１２    ノズル（対向電極）
１３    ホルダー
１４    イオン生成空間
１５    空気供給ポート
１６    交流高圧電源
１７    噴出口
２０    イオン量測定装置
２１    ケース体
２２    円筒電極
２３    通過孔
２４，２５    支持板
２８    噴射口
２９    測定器本体
３３    電流検出器
３４    演算部
３５    表示部
【図１】
2012026850.tif 000020
【図２】
2012026850.tif 000021
【図３】
2012026850.tif 000022
【図４】
2012026850.tif 000023
【図５】
2012026850.tif 000024
【図６】
2012026850.tif 000025
【図７】
2012026850.tif 000026