静電気学会誌，33, 1 (2009) 26-31
J. Inst. Electrostat. Jpn.

正・負両極性イオン搬送量の分離測定に関する研究
深 田 佳 成＊,＊＊,1，安 川 尚 志＊＊，八 塚 京 子＊
（2008 年 8 月 20 日受付；2009 年 1 月 6 日受理）

A Study of Separation of Transferred Positive and Negative Ions
from AC Corona Discharge
Yoshinari FUKADA,*,**,1 Takashi YASUKAWA** and Kyoko YATSUZUKA*(Received August 20, 2008; Accepted January 6, 2009)

An AC corona discharge ionizer is one of the most useful equipment to eliminate electrostatic charge on electronicdevices. This paper represents the measurements of the positive and negative ions transferred by an AC corona
discharge ionizer by Faraday cage in which a rod electrode is inserted to form a deflecting electric field. With thisFaraday cage, the positive and negative ions are detected separately by applying the voltage on the rod electrode. With
increase of the voltage on the rod electrode, the ion currents of the same polarity increased, while the ion currents of
the opposite polarity decreased. And the ion current of the same polarity tends to be saturated. Charge amount anddischarge duration time of positive ions are larger than those of negative ions. Negative ions are easier to be defectedby the electric field than positive ions are. In addition, we showed that the predicted motion in the electric fieldcalculated analytically has a good agreement of the experimental results.
1.

ることや周波数特性が高くないために正確な評価が行えない．

はじめに静電気対策は半導体製造装置，ハードディスクドライブや我々は交流コロナで発生する両極性イオンによる除去メカニ

LCD の製造工程などの電子産業において重要なことは良くズムの解明を目指して，ファラデーケージを用いた新たなイ知られている．最近，電子機器の微細化が進み，微小帯電電オン搬送量測定方法を検討している 5，6)．しかし，試作した圧でも装置に重大な影響を及ぼすようになってきた．この除単純な構造のファラデーケージでは高い周波数特性が得られ電に用いるイオナイザーの多くはコロナ放電でイオンを発生ず，改善が必要となった．本研究では，正・負イオンを偏向し，空気流によって目的対象物まで搬送する．コロナ放電に電界で分離して別々に測定するためにファラデーケージ内によるイオン発生には直流方式と交流方式があるが，それぞれ棒電極を挿入して偏向電界を形成し，イオンを偏向させて分に得失があり，目的によって使い分けられている．高周波交離捕集を行える装置を開発し，イオンの分離特性を実験と数流高電圧を用いたイオナイザーは除電性能が良いため広く用値解析で検討した結果を報告する．

いられている

1-3）．その装置では，発生した正・負両極性イオンが対象物に到来して除電を行う．このイオナイザーの最もSignal output

一般的な評価方法はチャージドプレートモニタ(CPM) を用

Inside container4)

いた方法である ．しかし，CPM を高周波交流高電圧を用いたイオナイザーの評価に用いる場合，誘導電流の影響を受けAir in

キーワード：イオナイザー，ファラデーケージ，コロナ放電，偏向電界，イオン分離* 山形大学大学院理工学研究科（992-8510 山形県米沢市城南 4 丁目 3-16）
Graduate School of Science and Engineering, Yamagata
University , 4-3-16, Jonan Yonezawa-shi, Yamagata 992-8510,
Japan** 株式会社コガネイ（184-8533 東京都小金井市緑町 3-11-28）
Koganei Corporation, 3-11-28, Midori-cho, Koganei-shi, Tokyo
184-8533, Japan1
fukada@koganei.co.jp

Highvoltage

Ionizer

Outside container

Voltage
supply+ 0 -Air out

Insulator

Rod electrode

Faraday cage
図１ 実験装置
Fig. 1 Experimental apparatus.

27

正・負両極性イオン搬送量の分離測定に関する研究（深田佳成ら）

2.

実験方法

流の拡大図のように印加電圧の増加に伴い更に顕著になる．

図 1 に実験装置の概略を示す．イオナイザーにファラデー

これはイオン群がファラデーケージ内に進入したときの誘導ケージを接続し，ファラデーケージの中心軸上に正または，電流であると考えられ，この誘導電流の値の直接測定が困難負の電圧を印加できる棒電極を挿入した．棒電極とファラデであるため，定常時の電流値で検討を行う．定常時とはイオーケージ内筒電極によって同軸円筒型の電界を形成し，正・ン群がファラデーケージ内に進入し，内筒電極入口から出口放電電極には，試作イオナイザーで放電が安定した印加電圧9 ｋVｐ-ｐを印加し，放電周波数は後の考察で示すようにイオ

また，立下りのピーク波形はイオン群の内筒電極での捕集が終了したことを示していて，ピーク波形直前で定常状態は終了したと考える．よって定常時のイオン電流は立上り，立ン群の挙動を検討しやすいように 1 Hz とした．また，エア流806085 L/min 一定とした．ファラデーケージ内筒電極は内径 3040mm，長さ 40 mm であり，棒電極形状は直径 5 mm，先端半径2.5 mm とした．また棒電極は内筒先端を基準に x ＝＋10～－5 mm と設置位置を変えられ，棒電極に電圧を±300 V まで印加して測定した．ファラデーケージ流入口と棒電極の距離

Ion current (nA)

量は印加圧縮エアの圧力を 0.1 MPa としたときの流量で，約Applied voltage

200-20-40

Transferred ion-60を十分に離し，イオナイザー放電部の流速や圧力には影響を-80与えないように工夫した．棒電極が形成する偏向電界は後述

00.2する数値解析で示すように，イオナイザー放電部の電界に影響を与えない．よって，イオナイザーが発生するイオン量は0.40.6Time (s)0.8543210-1-2-3-4-5Applied voltage (kV)

ン電流に換算し，イオン搬送量を算出した．イオナイザーのまで広がって円筒に捕集され続けている間のことを示す．

543210-1-2-3-4-5

Applied voltage (kV)ープで観測し，電圧波形と測定系のインピーダンスからイオ

543210-1-2-3-4-5Applied voltage (kV)

負イオンを偏向する．内筒電極からの出力信号はオシロスコ

1(a) Rod electrode voltage: 0 V

棒電極の位置・偏向電界によらず，常に一定であると考える．
803.1

実験結果
イオン電流波形

棒電極位置 x =0 mm，棒電極に電圧を印加していない場合の測定波形の例を図 2(a)に示す．図の正弦波はイオナイザーへの印加電圧波形を表し，矩形波は内筒電極の出力電圧を表

Ion current (nA)

3.

60

Applied voltage

40200-20-40

Transferred ion-60している．
イオン電流波形は測定回数 100 回の平均値であり，-80オシロスコープのデータを数値データとしてプロットしたも00.2のである．

流が現れ，その後電圧の変化によるイオン電流の大きさの変とが分かる．これは以前の発表と同様の様相である 5，6）．

40Ion current (nA)60に示す．
棒電極への印加電圧と同極性のイオン電流は増加し，0-20-40-60

ファラデーケージ間の電界により同極性イオンはファラデー-80であると考えられ，棒電極に電圧を印加することにより正・負イオンがある程度分離されていることが分かる．
測定波形には立上り，立下りにピーク波形が見られた．特に棒電極に電圧を印加した状態で，減少した方のイオンでは顕著にそのピークが見られる．このピークは図 3 のイオン電

Applied voltage20

逆極性のイオン電流は減少するのが分かる．これは棒電極とケージ側に偏向し，逆極性イオンは棒電極側に偏向したため180化は少なく，閾値電圧以下になるとイオン電流が 0 になるこ

mm，印加電圧±100 V 時の測定波形の例をそれぞれ図 2(b),(c)0.8(b) Rod electrode voltage: +100 V

イオナイザーの印加電圧が閾値電圧以上になるとイオン電棒電極に電圧を印加した代表波形として，棒電極位置 x =00.40.6
Time (s)Transferred ion

00.20.40.6
Time (s)0.8(c) Rod electrode voltage: -100 V
図 2 測定波形
Fig. 2 Measured configuration of wave shape.

1

28

静電気学会誌

第 33 巻図 4(a),(b)を比較すると正・負イオン電流の飽和電流は，そ下りのピーク波形の間の電流から求められる．
3.2

第 1 号（2009）

れぞれ約 58,-52 nA であり，正イオン電流の方が大きい．棒イオン電流の棒電極電圧依存性

棒電極を x =0 mm に固定し，棒電極への印加電圧を変えたときの定常状態でのイオン電流とその近似曲線を図 4 に示

電極位置 x =0 mm では印加電圧±300 V でも逆極性イオン電流を完全に 0 A まで減少できない．
3.3す．
図 4(a)は棒電極に正電圧を印加したときの正イオン電流と負イオン電流の棒電極電圧依存性を調べたものである．これ

イオン電流の棒電極位置による変化

棒電極位置を変えて上記と同じ方法でイオン電流を測定した結果を図 5 に示す．

を見ると，棒電極の印加電圧と同極性の正イオンは電圧の増

図 5(a)は棒電極に正電圧を印加したものである．印加電圧加に伴い増加し，印加電圧 160 V 程度で飽和する．更に，印0 V でのイオン電流が棒電極の位置によって異なり，棒電極加電圧を増加すると 280 V 以上で若干の減少が見られる．棒位置がイオナイザー吹き出し口から遠い程（ x <0），負イオ電極の印加電圧と逆極性の負イオンは電圧の増加に伴い減少

ン電流が大きい．これは棒電極とファラデーケージによってし，0 A に近づく．

形成される電界が弱くなるために負イオンの減少が少ない．

図 4(b)は棒電極に負電圧を印加したものである．図 4(a)と捕集された正イオンは電極位置にあまり影響を受けない．

同様の傾向を示し，棒電極の印加電圧と同極性の負イオンは

図 5(b)は棒電極に負電圧を印加したものである．図 5(a)と電圧の増加に伴い増加し，印加電圧-140 V 程度で飽和する．

同様の傾向を示し，印加電圧 0 V で，棒電極位置がイオナイ

更に，印加電圧を増加すると-280 V 以上で若干の減少が見ら

ザー吹き出し口から遠い程（ x <0），正イオン電流が大きい．

れる．棒電極の印加電圧と逆極性の正イオンは電圧の増加に捕集された負イオンは電極位置にあまり影響を受けない．
飽和電流の最大値は棒電極位置 x =+10 mm のときで，伴い減少し，0 A に近づく．

正・負イオンでそれぞれ 59,-54nA であったが，棒電極位置による大きな差はない．これに対し，棒電極の印加電圧と逆極
Induction current
Applied voltage

Ion current (nA)

20
10-10

Transferred ion
0.14A に到達した．また 0 A に到達した際の印加電圧を比較する

0-2

Induction current-200性のイオンは棒電極位置 x =+10 mm で正・負イオンともに 02

Average value of
steady current

060.2
0.3
Time (s)0.4

Applied voltage (kV)

30と，正・負電圧がそれぞれ 220,-280V であり負イオンの方が低い電圧で 0 A に到達している．これより，負イオンの方が電圧の影響を受けやすいと考えられる．これは負イオンの方が正イオンより移動度が大きいことが原因と考える 7）．
また0 A に到達した際の棒電極電圧は飽和電流に達する電-4圧より大きい．これは電極位置がファラデーケージ進入部と0.5同軸であり，ファラデーケージに進入したイオン群が棒電極

図 3 定常電流と誘導電流（棒電極電圧 : -200 V）
Fig. 3 Steady current and induction current.
(Rod electrode voltage: -200 V)

方向へ移動しやすいためであると考える．

604020Ion current (nA)

Ion current (nA)60

Positive ion

400
Negative ion-20-4020

Positive ion

0-20-40-60050100150200250300

Negative ion-600-50-100-150-200

Applied voltage (V)Applied voltage (V)(a) Positive voltage.

(b) Negative voltage.

図 4 印加電圧－捕集イオンのイオン電流特性 (x = 0 mm)
Fig. 4 Dependency of ion current of collected ion on applied voltage (x = 0 mm).

-250-300

29

正・負両極性イオン搬送量の分離測定に関する研究（深田佳成ら）

6060-5mm

4020+5mm
0mm +10mm

0+10mm

Ion current (nA)

Ion current (nA)

40-200mm-40+5mm-5mm+5mm+10mm

00mm +10mm-20+5mm-5mm

-60
050

100

150

200

250-5mm20-40-600mm

300

0-50-100

Applied voltage (V)-150-200-250-300-250-300

Applied voltage (V)(a) Positive voltage.

(b) Negative voltage.

図 5 印加電圧－捕集イオンのイオン電流特性Fig. 5 Dependency of ion current of collected ion on applied voltage.
9090-5mm0mm

800mm

70Ion current (nA)70
Ion current (nA)

-5mm

806050+10mm

40+5mm3020605040+10mm+5mm

3020101000050

100150200
Applied voltage (V)2500300-50(a) Positive voltage.

-100-150-200
Applied voltage (V)(b) Negative voltage.

図 6 印加電圧－捕集イオンの正・負イオン電流合計値特性
Fig. 6 Dependency of the sum of ion current of collected ion on applied voltage.

4.
4.1

考察と解析
正・負イオン電流の和3.3 で測定した正・負イオン電流の絶対値の和を図 6 に示す．

4.2

電荷密度図 2(a)に示した波形で，測定したイオン電流値とイオン電流生成時間から搬送された電荷量を推定できる．イオン電流

イオナイザーから注入されるイオン量は同一であるから，正の生成時間は定常状態の時間と立上り時の誘導電流波形の時負両イオンの和は本来ならば一定のはずである．しかし，棒間を合わせた時間とした．これは誘導電流発生の間でもイオ

電極位置 x =+10 mm では±100 V まで変化しないが，更に電ンがファラデーケージに捕集されたと考えられるためである．

圧が高くなるとイオン電流の合計値は緩やかに減少している．

イオン電流波形の生成時間は印加電圧 1 サイクルにおいて正また，棒電極位置 x =+10 mm 以外では印加電圧の増加に伴イオンで約 300 ms，負イオンで約 260 ms であった．また棒いイオン電流の合計値は緩やかに減少している．これは棒電電極位置，棒電極電圧による生成時間の変化はほとんど無い．

極先端部の電界の影響が電圧の増加に伴い大きくなり，イオ搬送された電荷量はイオン電流と生成時間の積である．正・ナイザーとファラデーケージの結合部分などへイオンが捕集

負イオンの電荷量の和を図 7 に示す．

されることが原因と考えられる．

図 7(a)は棒電極に正電圧を印加したときの正・負イオンのまた棒電極位置 x =+5,+10 mm での合計値に大きな差が無電荷量の和の印加電圧特性である．棒電極電圧 80 V 以下でい．これより棒電極位置 x =+5 mm 以上では棒電極先端へのは電荷量の和は変わらないが，80 V より高いと減少する．

イオンの捕集は飽和し，捕集されず残ったイオンが棒電極円

また図 7(b)に棒電極に負電圧を印加したときの正負イオン筒部分のイオン分離電界領域に進むので，電界による正・負の印加電圧特性を示す．棒電極電圧 60 V 以下では電荷量のイオンの移動を検討することができると考える．

和は変わらず，60 V 以上で減少する．
この電荷量の和は全イオン電流の減少が影響しており，原因は上記で述べたように，棒電極が生成する電界の影響が電30

静電気学会誌

第 33 巻圧の増加に伴い大きくなり，イオナイザーとファラデーケージの結合部分などへイオンが捕集されたことと考えられる．

第 1 号（2009）

減速していると考えられる．
4.4

形成電界の数値解析

確認のため，以前の実験のようにイオナイザーから搬送さイオナイザーから注入されたイオン群はファラデーケージれたイオン群をすべて捕集する構造のファラデーケージを取と棒電極によって形成された電界による力と空気流との合成

5）

付け ，ファラデーケージの構造以外すべて同じ条件で正・された力によって運動する．今までの実験結果は棒電極に加負イオンの電荷量測定を行った．このとき，正イオンのイオえた電圧を変えることにより内部の電界強度が大きくなり，ン電流は 79.8 nA，生成時間は 305.6 ms であり，負イオンのそれによってイオン群が偏向され，その結果として正負イオイオン電流は 74.3 nA，生成時間は 278.4 ms であった．イオ

ン電流が変化した．この現象を定量的に説明するには，内部ン生成時間はファラデーケージの構造で大きく変わらないが，の電界分布と，空気流分布を知る必要があるが，空気流分布イオン電流に差が見られた．このイオン電流は Fig.4 で示すは非常に複雑であるので，第一段階として電界分布の推定を正・負イオンの飽和電流より大きい．正・負イオンの電荷量行った．

を計算するとそれぞれ 24.4，20.7 nC である．これも図 7 の度は次式で表される 8）．

値より大きくなった．
4.3

電荷密度  のイオン群の移動度が  のとき，その電流密イオン群の移動時間

J   ( E  w )イオン群がファラデーケージに進入する際の継手内でのエ(1)ア流速とファラデーケージ内でのエア流速を，エア流量と断ただし， w は風速[m/s]である．この式で分かるように，面積から推定する．
継手の内径，ファラデーケージ内筒内径，E と w は同じ速度の次元を持つから，ファラデーケージ

棒電極直径はそれぞれ 7，30，5 mm であるので継手内の断面内部の電界強度分布が分かれば速度の比較が可能となる．

-5積，ファラデーケージ内筒内の断面積はそれぞれ 3.85 × 10 ，‐46.87 × 102m となる．これとエア流量 85 L/min からエア流速

棒電極の先端部の電界強度 E r を球座標での同心球モデルで近似して求める．この式は次のように表される．

を求めるとそれぞれ約 36.8，2.1 m/s となる．これよりファラEr  

デーケージ進入時は非常に高速なエア流れであり，その後フab V0a b r2(2)ァラデーケージ内でエア流速が急激に減速すること，その過ただし， a ， b は内球，外球の半径， r は中心からの距離程で乱流になっていることが考えられる．

である．

ここで，イオン電流波形の誘導電流波形はイオン群がファラデーケージ内に進入したときに立上り，内筒後方端に到達先端部から離れた部分での電界は近似的に，円筒座標での同軸円筒の電界強度 E r で表す．

したときに誘導電流波形が終了し，定常状態に至ると仮定す

Er る．ファラデーケージ入口から内筒の後方端部までの距離は

V01
ln c  ln d r(3)約 70mm であり，図 3 の誘導波形発生時間は約 10 ms であっ

ただし， c ， d は内円筒，外円筒の半径， r は中心軸からたことから，ファラデーケージ内のイオン群の平均流速は約の距離である．

7 m/s となる．ここからもエア流速がファラデーケージ内で

-5mm

250mm

20Charge amount (nC)

Charge amount (nC)

2515+10mm +5mm

1050-5mm0mm

2015+10mm

10+5mm50050

100
150200Applied voltage (V)2503000-50(a) Positive voltage.
図 7 印加電圧－捕集イオンの正・負電荷量合計値特性Fig. 7 Dependency of the sum of charge amount of collected ion on applied voltage.

-100-150-200
Applied voltage (V)(b) Negative voltage.

-250-300

正・負両極性イオン搬送量の分離測定に関する研究（深田佳成ら）

31

図 8 に示すモデルで差分法（FDM）を用いて電界計算を行

約 40 V/mm であるから移動度との積により，電界によるイった．このとき棒電極位置 x =0 mm，印加電圧V0 =100 V とオンの速度は 8 m/s 程度と推定される．これは空気流の流速し，近似解析解では a = c =2.5 mm，b = d =15 mm とした．とほぼ同程度なので十分に偏向されることが説明できる．

図 9 より棒電極先端では球座標での解析解と z 軸方向の電界で良い一致が見られた．
また図 10 より棒電極円筒部分では，5.

円筒座標での解析解と r 軸方向で位置が棒電極先端 R の中心

本研究より下記の 6 点が分かる．

部より 5 mm ファラデーケージ内側の位置で良い一致を示し(1) ファラデーケージ内に挿入した棒電極による偏向電おわりに界で，交流コロナの正・負イオン分離ができる．

た．

(2) 棒電極電圧と同極性のイオン電流は，印加電圧ととも同心球モデルで計算した場合の棒電極先端部の電界強度は，に増加し，逆極性のイオン電流は減少する．また，同r

極性イオン電流は飽和する傾向にある．

z(3) 棒電極に電圧を印加しない場合，ファラデーケージでdbの捕集イオン量は棒電極位置で変化するが，電圧印加

ca時には，同極性イオンの飽和電流値には棒電極の位置による差がない．
(4) 負イオンの方が偏向電界の影響を受けやすい．
(5) 正・負イオンの搬送量の合計は一定と考えられるが，棒電極への印加電圧が増加すると，正・負イオン電流

図 8 電極の解析モデル
Fig. 8 Analysis model of electrodes.の合計が減少した．これは，測定部以外へイオンが捕集されたことを示すと考えられる．
(6) ファラデーケージと棒電極によって形成された電界Electric field (V/mm)50によるイオン流速の計算値は空気流の流速とほぼ同Analysis

40程度となったことから，電界の力によって十分にイオ30ン群が偏向，捕集され得ると考えられる．

20

本研究を行うにあたり，有益なご議論とご助言を頂いた山

FDM
z axial direction

10

形大学の浅野和俊名誉教授に対し，心より謝意を表します．

005Distance (mm)1015

図 9 FDM と球座標での解析解の比較
Fig. 9 Comparison of FDM and analysis solution in sphericalcoordinates.

Electric field (V/mm)

25201510Analysis
FDMr axial direction
x=-5mm

5005Distance (mm)1015

図 10 FDM と円筒座標での解析解の比較
Fig. 10 Comparison of FDM and analysis solution in a cylinder
coordinates.

参考文献
清水 渡，永田秀海，和泉健吉：2004 年静電気学会講演
論文集，pp.193-198 (2004)
2) 清水 渡，永田秀海，和泉健吉，児玉 勉：静電気学会
誌，29（2005）62
3) A.Osawa: J.Electrostat.，65 (2007) 598
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5) 深田佳成，伊藤優希，安川尚志，八塚京子：2008 年静電気学会春期講演論文集，pp.71-72 (2008)
6) K.Asano，Y.Fukada and T.Yasukawa: J.Electrostat.，66 (2008)
2757) 電気学会編：「電気工学ハンドブック第 6 版」
，オーム社，pp.484 (2001)8) 静電気学会編：「新版静電気ハンドブック」，オーム社，
pp.1009 (1998)
1)