(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサを接続した放電電極を真空室内に設置し、この放電電極にコンデンサを介してプラス又はマイナスの一方の極性の高電圧を印加して、その一方の極性の放電により生ずる放電電流を検出し、その放電電流が急激に上昇するところから最高域に達する範囲の圧力となるように真空室内を減圧調整し、放電電極から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放電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。
【請求項２】
複数の放電電極を真空室内に並べて設置して、これらにプラス又はマイナスの一方の極性の高電圧を同時に印加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。
【請求項３】
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又は２に記載の減圧下での除電方法。
【請求項４】
放電電極の材質をチタニウム合金としたことを請求項１、２又は３に記載の減圧下での除電方法。
【請求項５】
放電電極の材質をインコネル合金としたことを請求項１、２又は３に記載の減圧下での除電方法。
【発明の詳細な説明】
【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同時に生成し、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、コンデンサを接続した放電電極を真空室内に設置し、この放電電極にコンデンサを介してプラス又はマイナスの一方の極性の高電圧を印加して、その一方の極性の放電により生ずる放電電流を検出し、その放電電流が急激に上昇するところから最高域に達する範囲の圧力となるように真空室内を減圧調整し、放電電極から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放電プラズマ雰囲気で除電することを特徴とする。
【０００９】
複数の放電電極を真空室内に並べて設置して、これらにプラス又はマイナスの一方の極性の高電圧を同時に印加すると、除電効率が向上する。
【００１０】
放電電極にコンデンサを接続した場合、コンデンサを介してプラス又はマイナスの一方の極性のパルス状高電圧を放電電極に印加すると、抵抗接続の場合と同等の効果がある。
【００１１】
放電電極の材質をチタニウム合金又はインコネル合金とすると、放電電極の損傷・摩耗が少ない。
【００１２】
【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。
【００１３】
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、針状の複数本（図では２本）の放電電極２・３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。
【００１４】
また、絶縁基板４の両側縁には電源配線７がプリント配線され、これら両側の電源配線７の入力端は、導電部材８にて互いに結線して図示しない高電圧給電ケーブルに接続され、放電電極２・３に電源配線７を介してプラス又はマイナスの一方の極性の高電圧を印加できるようになっている。絶縁基板４は、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、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、全体として一本の電極ユニット１１となっている。この電極ユニット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、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。
【００１５】
電源配線７の入力端に接続された高電圧給電ケーブルは真空容器１外の直流高電圧電源１２に電気接続され、放電電極２・３には、プラス又はマイナスの一方の極性の直流高電圧が抵抗６を介して同時に印加される。
【００１６】
直流高電圧電源１２は、自励発振回路と昇圧回路を用いて昇圧し、倍電圧整流回路にて整流して、プラス又はマイナスの直流高電圧を生成する構成になっている。
【００１７】
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。
【００１８】
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、放電電極２・３にプラス又はマイナスの一方の極性の直流高電圧を印加したまま、放電電極２・３から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。
【００１９】
予め帯電させた被除電物Ａ（プラスチックフィルム）を、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に設置して、真空室１ａ内の真空度を上げ、放電電極２・３にプラス又はマイナスの一方の極性の直流高電圧を約１秒間印加して被除電物Ａに対する除電実験を行い、被除電物Ａの表裏両面（フィルム面）の帯電模様に対して除電前と除電後の状態を確認した。
【００２０】
また、放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。
【００２１】
図４は、上記の条件に更に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、放電電極２・３へプラスの直流高電圧を印加した場合に帯電板Ｂに流れるプラス放電電流（μＡ）と、マイナスの直流高電圧を印加した場合に帯電板Ｂに流れるマイナス放電電流（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。
【００２２】
放電電極２・３間の距離    ５０ｍｍ
放電電極２・３への印加電圧    プラスの場合＋５ｋＶ、マイナスの場合−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
【００２３】
図４及び図５に示すように、プラスの直流高電圧を印加した場合のプラス放電電流及びマイナスの直流高電圧を印加した場合の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放電電極２・３間から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、放電電極２・３からの発光が針の先端から球形に拡がり、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。このようなプラス又はマイナス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は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、その減衰に伴い放電電極２・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。
【００２４】
図６は、真空室１ａ内を０．０１ｋＰａに減圧して一定にし、放電電極２・３にマイナスの直流高電圧を可変して印加し、帯電板Ｂに流れる電流と放電電極２・３からの放電電流を測定した。図７は、同様に放電電極２・３にプラスの直流高電圧を可変して印加し、帯電板Ｂに流れる電流と放電電極２・３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、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。
【００２５】
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又は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、電気的に中性な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ると同時に、放電電極２・３に印加する高電圧がプラス又はマイナスの一方だけの極性の直流高電圧であっても、電気的に中性なプラズマによる作用により、後述するように高密度の除電が可能になると思われる。
【００２６】
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。
【００２７】
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内の圧力を８０Ｐａとしてフィルムの表面（放電電極２・３と向かい合っている面）と裏面（反対側の面）の除電状況と表面電位と観測した。直流高電圧電源１１の電源オン時間はそれぞれ１秒で、印加電圧はプラスを印加する場合＋５ｋＶ、マイナスを印加する場合−５ｋＶとし、放電電極の本数は合計４本とした。
【００２８】
図１１〜図１８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。
【００２９】
図１１は、フィルムを真空室１ａ内で除電する前（空気中）のフィルムの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。
【００３０】
図１４は、同様にフィルムを真空室１ａ内で除電する前のフィルムの裏面に現れたプラス・マイナス両方の帯電模様（青と赤）を示した図、図１５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１６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。
【００３１】
図１７は、真空室１ａの圧力（真空度）を８０Ｐａにして、４本の放電電極に＋５ｋＶの直流高電圧を印加してフィルムを除電したときの図で、（Ａ）がフィルムの表面、（Ｂ）が裏面であり、表裏両面とも帯電模様は現れなかった。
【００３２】
図１８は、真空室１ａの圧力（真空度）を８０Ｐａにして、４本の放電電極に−５ｋＶの直流高電圧を印加してフィルムを除電したときの図で、（Ａ）がフィルムの表面、（Ｂ）が裏面であり、表裏両面とも帯電模様は現れなかった。
【００３３】
次の表１は、同じ実験においてフィルムの表面電位を測定したもので、「サンプル１」は除電前、「サンプル２」はプラスの高電圧を印加して除電した場合、「サンプル３」はマイナスの高電圧を印加して除電した場合である。
【００３４】
【表１】
0003760336.tif 000002
【００３５】
これらの実験結果と図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、放電電流が最高域になる圧力８０Ｐａのときには、図１７及び図１８に示すように、プラスの高電圧のみを印加した場合も、マイナスの高電圧のみを印加した場合も、フィルムの表面ばかりでなく裏面もプラス・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、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、しかもプラス・マイナスの一方の極性での放電であるにも拘わらず、除電性能が高まっていく現象は、放電電極から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、電気的に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】
ところが、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１Ｐａまで下げていくと減衰し、放電電極３の周囲に生じている球形の発光の大きさも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】
0003760336.tif 000003
【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２に示すとおりである。
【００４１】
【表２】
0003760336.tif 000004
【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３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３】
0003760336.tif 000005
【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、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、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】
なお、放電電極２・３にコンデンサを接続し、コンデンサを介してプラス又はマイナスの一方の極性のパルス状高電圧を放電電極２・３に印加しても、同様のグロー放電が得られた。
【００４７】
更に、本発明者らは減圧下での除電で用いる放電電極の材質を決定するため、インコネル合金の針電極とタングステン合金の針電極とチタニウム合金の針電極について、圧力を８０Ｐａ、印加電圧をプラスの場合＋５ｋＶ、マイナスの場合−５ｋＶとして耐久試験を行った。
【００４８】
インコネル合金、タングステン合金、チタニウム合金のいずれの場合も針電極の使用前の先端部の形状は、図１９に示すように円錐形に加工されたものであったが、＋５ｋＶをインコネル合金の場合には６７２時間、タングステン合金の場合には６６８時間、チタニウム合金の場合には６２４時間印加した後にそれぞれの針電極を写真撮影したところ、図２０、図２１、図２２にそれぞれ図化したようになった。
【００４９】
また、−５ｋＶを同様にインコネル合金の場合には６７２時間、タングステン合金の場合には６６８時間、チタニウム合金の場合には６２４時間印加した後にそれぞれの針電極を写真撮影したところ、図２３、図２４、図２５にそれぞれ図化したようになった。
【００５０】
プラス高電圧印加時及びマイナス高電圧印加時のいずれの場合も、インコネル合金の針電極の場合は先端部の全体形状は崩れないが、表面に水滴なような溶融部分が現れた。タングステン合金の場合には先端が損壊するとともに、表面がぼろぼろに損傷し、マイナス高電圧を印加したときの方が損傷の程度が大きかった。
【００５１】
チタニウム合金の針電極の場合は、ほとんど変化しなかった。
従って、放電電極の好ましい材質としては、チタニウム合金が良く、次にインコネル合金が良いという結果となった。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、帯電物体が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。
【００５３】
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又はマイナスの一方の極性の高電圧を印加するだけで、プラス・マイナスの帯電極性に関係なくプラス・マイナス両方とも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、また電源も簡素になる。
【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、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、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の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（赤のみ）を取り出した図である。
【図１４】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の裏面に現れたプラス・マイナス両方の帯電模様（青と赤）を示す図である。
【図１５】図１４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１６】同じくマイナスの帯電模様のみ（赤のみ）を取り出した図である。
【図１７】真空室の圧力（真空度）を８０Ｐａにして、放電電極に＋５ｋＶの直流高電圧を印加してフィルムを除電したときの図で、（Ａ）がフィルムの表面、（Ｂ）が裏面である。
【図１８】真空室の圧力（真空度）を８０Ｐａにして、放電電極に−５ｋＶの直流高電圧を印加してフィルムを除電したときの図で、（Ａ）がフィルムの表面、（Ｂ）が裏面である。
【図１９】放電電極である針電極の材質をインコネル合金、タングステン合金、チタニウム合金とした場合の耐久試験において、針電極の使用前の先端部の形状である。
【図２０】プラスを高電圧印加した使用後のインコネル合金針電極の先端部の形状である。
【図２１】プラスを高電圧印加した使用後のタングステン合金針電極の先端部の形状である。
【図２２】プラスを高電圧印加した使用後のチタニウム合金針電極の先端部の形状である。
【図２３】マイナスを高電圧印加した使用後のインコネル合金針電極の先端部の形状である。
【図２４】マイナスを高電圧印加した使用後のタングステン合金針電極の先端部の形状である。
【図２５】マイナスを高電圧印加した使用後のチタニウム合金針電極の先端部の形状である。
【符号の説明】
１      真空容器
１ａ    真空室
２・３  放電電極
４      絶縁基板
５      導電性ブッシュ
６      抵抗
７      電源配線
８      導電部材
９      電極ホルダ
１０    樹脂
１１    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
【図１】
0003760336.tif 000006
【図２】
0003760336.tif 000007
【図３】
0003760336.tif 000008
【図４】
0003760336.tif 000009
【図５】
0003760336.tif 000010
【図６】
0003760336.tif 000011
【図７】
0003760336.tif 000012
【図８】
0003760336.tif 000013
【図９】
0003760336.tif 000014
【図１０】
0003760336.tif 000015
【図１１】
0003760336.tif 000016
【図１２】
0003760336.tif 000017
【図１３】
0003760336.tif 000018
【図１４】
0003760336.tif 000019
【図１５】
0003760336.tif 000020
【図１６】
0003760336.tif 000021
【図１７】
0003760336.tif 000022
【図１８】
0003760336.tif 000023
【図１９】
0003760336.tif 000024
【図２０】
0003760336.tif 000025
【図２１】
0003760336.tif 000026
【図２２】
0003760336.tif 000027
【図２３】
0003760336.tif 000028
【図２４】
0003760336.tif 000029
【図２５】
0003760336.tif 000030