静電気学会誌，38, 2（2014）101-107

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論

文

集束超音波と誘起電界を用いた非近接型静電気計測技術の開発
菊永 和也 , 星 貴之 , 山下 博史 , 江頭 正浩 , 野中 一洋
＊, 1

＊＊

＊

＊

＊

（2013年9月9日受付；2013年12月30日受理）

Development of Non-adjacent Measurement of Static Electricity
by Focused Ultrasound Wave and Induced Electric Field
＊, 1

＊＊

＊

Kazuya KIKUNAGA , Takayuki HOSHI , Hiroshi YAMASHITA ,＊＊Masahiro EGASHIRA and Kazuhiro NONAKA(Received September 9, 2013 ; Accepted December 30, 2013)

A novel method is proposed for non-adjacent measurement of static electricity on a surface by a focused ultrasound wave to
excite movement of the sample surface. The focused ultrasound waves are generated by controlling individually the phase of
285 airborne ultrasound transducers, these results demonstrated that local excitation could be measured. An electric field is
induced by exciting a charged object. The frequency of the induced electric field is the same one of the charge oscillation. The
electric field intensity and phase are related to the surface potential and electrical polarity of the object, respectively. We haveclarified that it can be measured the electric field from a distance of 80 mm for the charged object by a monopole antenna anda Lock-in-amplifier. This method has the capability of detecting the surface potential at a longer distance than that for asurface potential sensor.

1．はじめに生産現場において様々な場所の静電気をモニタリング

近年，製造業の生産現場では生産効率を高めるために製することは極めて困難である．それは生産性を低下させな造のオートマ化が進んでいる．そのため，生産現場では半いような環境や状況に対応する静電気計測器が少ないこ製品が高絶縁材料と接触や剥離を繰り返し，その静電気とが原因の一つとして挙げられる．近々に予想される電子発生率が高くなっている．自動化された製造工程におけるデバイスの小型化や静電放電耐性の低下，製造装置の複静電気障害は，帯電物が多数存在することから原因箇所特雑化に対応するため，空間制約の多い生産現場で簡易に定が困難であること，再現性が低く原因追究に多大な時間

静電気計測が可能な技術の開発が各方面から切望されてを要することから極めて深刻な問題である．特に，デバイいる．これまで静電気計測として，静電界や静電容量をタ

スの低電圧駆動化が進んでいるエレクトロニクス産業でーゲットとして様々なタイプの表面電位センサが開発されは，静電気問題が深刻化している ．そのため，静電気問てきた

題への対策は急激に増え，静電気関連製品市場が 2015 年に測定領域が依存すること，近傍のアースの影響を受けまでに 80 億米ドルを上回ることが報告されている ．

やすいことなどからセンサを遠ざけると静電気を検出でき

1）2）．しかし，これらはセンサから対象までの距離

3-11）ない場合があるなどのデメリットがある．これらの理由かキーワード：静電気計測，集束超音波，低周波電界，振動，非近接

産業技術総合研究所生産計測技術研究センター（〒841-0052 佐賀県鳥栖市宿町 807-1）
Measurement Solution Research Center, National Instituteof Advanced Industrial Science and Technology, 807-1,
Shuku-machi, Tosu, Saga 841-0052, Japan＊＊
名古屋工業大学若手研究イノベータ養成センター（〒466-8555 愛知県名古屋市昭和区御器所町）
Center for Fostering Young & Innovative Researchers,
Nagoya Institute of Technology, Gokiso-cho, Showa-ku,
Nagoya, Aichi 466-8555, Japan1
k-kikunaga@aist.go.jp＊

ら，静電気の場所を正確に測定するために，一般的な表面電位センサは対象物に近接させる必要があった ．し12）

かしながら，生産現場では製品や装置などが常に動いており，静電気力によって製品が予期せぬ動きをしたり，ゴミが付着する原因になったりすることから，センサを近接させることは好ましくない．そのため，生産現場では，近接させずに静電気を計る技術が求められている．
我々は上記を満たすことを目的として，帯電した対象物に静電気の状態を変化させないような刺激を加え，それによって変化した信号を捉えることで静電気を計る技術の開発に取り組んできた．そこでは，対象物に加える刺激とし静電気学会誌 第38巻 第 2 号（2014）

102（32）て音波を用い，対象物を物理的に振動させることで電荷振動を起こし，電界を誘起・計測することで，静電気の定量的評価が可能であること ，集束音波によるパルス的励振
13）

（1）



技術を用いることで，センサを固定したままで静電気分布の計測ができる可能性があることを明らかにしてきた ．
14）

この励振によって発生する電界の大きさは，対象物が物理的に振動する振幅に比例する．そのため，検出可能なレベ

ここで ε ［F/m ］は真空の誘電率、l［ m ］は荷電粒子の変0ルの電界を発生させるためには，対象物の物理的な振幅を位，r［ m ］は荷電粒子から観測点までの距離，k［ m ］は大きくすることが必須であり，数 kHz 以下の音波励振なら波数（ k = 2πf/c0 ），f［ Hz ］は荷電粒子の振動数，c0［ m/s］

びに電界検出を行う必要がある．このような低周波の電界は真空中の光速，j は虚数，θ［ rad ］は z 軸からの傾き，er，（準静電界）は，
距離が離れるにつれて大きく減衰するため，eθ はそれぞれ r 方向，
θ 方向の単位ベクトルである．ここで，⊖1

これまで電界センサを近接させる必要があった．そこで，右辺第一項は静電界である．本研究では電荷を振動させて本研究では，フェーズドアレイ法を用いた集束超音波によ静電気を計測する目的であるため，静電界に由来する項はる低周波励振法の確立と，モノポールアンテナとロックイ

除外して考える．その他の e にかかる項は，時間変動すンアンプを用いた低周波電界検出の高感度化を試みた．こる電界である．ここで，すべての解を同時に求めようとす

れにより，センサを対象物に近接させることなく，局所的

ると複雑になるため，簡単にするために，周波数を 1 kHzに静電気を計測する技術の開発を行った．

以下，観測距離を 1 波長（300 km ）以下とすると，発生す-jkr

る電界（準静電界）の支配的な項は以下のように表される．

2．原理

（2）



2.1 電荷振動による電界誘起
図 1 に静電気計測のための電荷振動による電界誘起の概

この電界を計測することにより、電荷を求めることが念図を示す．電界誘起の概念として，正（または負）の電できる．本研究では，パラメータの系統的な評価を行う

荷が帯電している測定対象物を物理的に振動させた場合をために，静電気の対象として電荷量に比例する表面電位

考える．そうすると対象物とともに静電荷も空間的に振動を用いて実験を行った．

する．時間的に電荷の空間位置が変動するため，その周囲2.2 フェーズドアレイを用いた集束超音波に電界が誘起されるというものである．この電荷振動によ本手法を用いた静電気計測のためには，空気中においって誘起される電界として，双極子放射の理論を適応する．

て非近接で，対象物を局所的に励振する必要がある．そ電荷 q［ C ］を持つ荷電粒子が運動するときに作る電界

こで，本研究では，物体が超音波の進行を遮るときに，

E［ V/m ］は，図 2 のように極座標をとり，荷電粒子の超音波の進行方向において，物体表面に応力が発生する

運動方向を z 方向とすると，発生する電界は下記のよう

非線形音響学的な現象に表される ．

する．超音波の平面波が垂直に入射するとき，物体表面15），すなわち音響放射圧を利用

16, 17）に生じる音響放射圧 P［ Pa ］は次式で表される．

18, 19）（3）

ここで I［ W/m ］は音響インテンシティ，c［ m/s ］は音
2

速，p［ Pa ］は超音波の音圧（実効値），ρ［ kg/m ］は媒
3

図 1 帯電電荷の振動に伴う電界誘起の概念
Fig. 1 A concept of inducing electric field with charge oscillation
for measuring static electricity.

質の密度である．α は物体表面の反射特性に依存する係数で，特に全反射のとき α = 2 となる．この音響放射圧
P［ Pa ］に面積 S［ m ］を乗算することで，その場に発2生する力 F［ N ］となる．しかしながら，単独の超音波振動子が生じる音響放射圧は微弱であり，対象物を振動させるためには高い音圧を発生させる必要がある．そこで本研究では，数十 mN 程度の発生力を得るため，285
図 2 極座標の設定
Fig. 2 Coordinate settings.

個の超音波振動子を用いた．
超音波は各振動子の位相を適切に制御することによっ集束超音波と誘起電界を用いた非近接型静電気計測技術の開発（菊永 和也ら）

103（33）て，空中に単一の焦点を結ぶことができる．また，この方法は位相を操作することで焦点の位置を変えることもできるため，離れた場所から空間中の任意の位置に力を発生させることができる．図 3 に示すように，矩形の振動子アレイを用いて，焦点距離を R［ m ］，正方形アレ
イの一辺の長さを D［ m ］としたとき，焦点径の幅 w［ m ］
は次式で与えられる ．
19）

（4）



ここで λ［ m ］は超音波の波長である．
（4）式から，ア

図 4 （a）集束超音波の特性を評価するシステム，（b）集束超音波を用いた励振を評価するシステム
Fig. 4 Experimental setup for（a）characterizing a focusedultrasound wave and（b）evaluating an excitation by it.

レイサイズと空間解像度がトレードオフの関係にあることが分かる．周波数 40 kHz の超音波を用いた場合の波長は λ = 8.5 mm である．これより，D = 17 cm，R = 17cm のとき，集束径 w = 17 mm と算出される．本研究では，
局所的な励振のために音波を集束させること，励振において対象物が振動する振幅を大きくすることから，DC-1 kHz で変調した超音波（40kHz ）を用いた．
図 5 電圧印加サンプルの振動によって誘起された電界の評
価システム
Fig. 5 Experimental setup for evaluating an electric field inducedby vibration of applied sample.

ここでは，対象物として塩化ビニルシート（厚さ 10
図 3 超音波の集束径に関係するパラメータ
Fig. 3 An image of relationship between a device size, focal
length and a diameter of focal point.

μm，サイズ 25 cm×25 cm ）を用い，変調周波数 100 Hzの集束超音波を照射した．そのときの超音波焦点の周辺における変位分布を，ラインレーザー変位計（ LJ-G200,

3．実験方法キーエンス社製）を用いて，超音波が照射された直後か

集束超音波の評価に関する実験システムと電界の評価

ら 60 m 秒まで 20 m 秒間隔で測定した．

に関する実験システムを図 4，5 に示す．本研究では，次に，帯電体を振動させることで誘起される電界の評

文献 20 において製作した小型超音波デバイスを使用し価を行った（図 5）．その検証として，静電気の帯電電位，

た．アレイのサイズは D = 17 cm であり，その矩形領域

電気的極性，
振幅と振動数を制御する必要がある．そこで，

内に 285 個（17 17-4 個）の超音波振動子が配列され，定量的な電界を誘起させる手段として，小型振動発生器

焦点における発生力の最大値は 16 mN である．このデ（512-A，エミック社製）とサンプルへの直流電圧印加を用バイスでは 40 kHz の超音波を ON/OFF することで DC -1

いた．振動部とサンプルを固定する絶縁性の支持台は 200

kHz で変調することができる．そのため，超音波として

mm のステンレス棒で直結し，10 Hz – 1 kHz の正弦波での本質が損なわれず，集束度を保ったまま，低周波で励振動させ，振動部の振幅は 250 μm に設定した．静電気を振することができる．

制御するためのサンプルとして金属平板（銅板，厚さ 0.3＊

まず，この集束超音波の特性を評価するために，スピmm，10 mm×10 mm ）を用いて，それに 0 – 500 V の直流ーカーに Φ10 mm の穴を開けた板を組み合わせ，超音波

電圧を印加した．電界を検出するために，無指向性で長デバイスに向かい合うように 17 cm 離して設置した（図さ 0 – 20 cm のモノポールアンテナとデジタルオシロスコ

（
4 a）
）
．このスピーカーを X ステージによって横方向にープまたは，ロックインアンプを使用した．アンテナは対動かすことで集束超音波の集束度を評価した．また，物象物と垂直方向（ z 軸方向）にして，側面に配置し，サン

体表面に集束超音波を照射することによる励振を評価す

プルを中心として距離 2 – 80 mm の範囲でシグナルを測定るために，
超音波デバイスを対象物と向かい合うよう（ zした．ロックインアンプのリファレンスには振動発生器に軸方向）に距離 17 cm のところに設置した（図 （
4 b）
）
．

入力しているファンクションジェネレータの同期信号を用

104（34）

静電気学会誌 第38巻 第 2 号（2014）

いた．通常，電界強度は，アンテナ利得，ケーブル損失やり，本研究では，集束超音波を用いて，近接させずに局

アンテナ出力電力などによって求めることができるが，こ所的な励振が可能であることを明らかにした．

こでは，単純に電界強度とアンテナ出力電圧が比例関係

4.3 電荷振動により誘起される電界であることを用いて，その関係性について議論を行った．

図 7 は図 5 の実験システムを用いて，サンプルを 100

最後に，図 （4 b）の集束超音波を用いた励振システム

Hz で振動させたときに，長さ 10 cm のモノポールアンと図 5 の電界評価システムを用いて，コロナ放電によっ

テナを距離 5 cm に設置したときにオシロスコープで測て表面電位を 100 V に帯電させたポリイミドフィルム

定したシグナルを FFT 変換することで得られた電界の（10 mm×10 mm ）を対象として，中心振幅 250 μm，100

周波数依存性を示している．図 （7 a）（b）は，それぞれサHz で励振させ，電界を測定することで，非近接での静ンプルを接地した状態と 100 V 電圧を印加したときの結電気の評価を行った．

果である．図 （7 a）のように，帯電がない状態における100 Hz の小さなシグナルは振動発生器のノイズに相当

4．実験結果および考察する．一方，図 （7 b）のように，電圧印加したサンプル

4.1 集束超音波の検証

では 100 Hz において電界の増加が観測された．また，

集束超音波の検証として，まず，音圧の空間分布の評価

帯電したポリイミドフィルムを対象として，150 Hz と 1を行った．図 （4 a）
で示したように，超音波デバイスによっ

kHz の音波で励振を行った場合では，それぞれの周波数て発生させた集束超音圧の空間分布を測定した結果を図 6の電界が観測された ．これらの結果は電荷の空間的振（a）に示す．これより，直径が約 w = 20 mm の集束した音動によって，その振動数と同じ周波数の電界が誘起され圧が得られることが分かった．
（4）式による焦点径 w = 17たことを示している．このことから，励振する振動特性mm より少し広いが，ほぼ理論通りの結果が得られた．

によって誘起する電界の周波数を制御することができ，

13）

様々な環境に合わせて周波数を選択することが可能である．また，このサンプルの振動数を高くすると，電界は小さくなり，2 kHz 以上で観測されなくなった．これは，サンプルが物理的に振動する振幅が小さくなるためであり，効率的に電界を誘起するには振幅が大きくなる低周波の振動を用いることが有効である．

図 6 （a）集束超音波による音圧の空間分布と（b）集束超音波によって変位した塩化ビニルシートの変位分布
Fig. 6 （a）Spatial distribution of measured radiation pressure,（b）displacement distributions of vinyl chloride sheet along
straight line through ultrasound focus.

4.2 集束超音波を用いた非近接での局所的励振
次に，対象物に局所的な振動を印加するために，物体表面に集束超音波を照射して局所的変位を測定する実験を行った（図 （
4 b）
）
．図 （
6 b）は超音波焦点の中心付近に

図 7 電圧印加の有無における電界の周波数依存性
Fig. 7 Frequency dependence of electric field intensity for（a）
grounded and（b）applied samples.

沿った塩化ビニルシートの変位の一次元分布を，超音波が照射された直後から 60 ms まで 20 ms 間隔で測定した

4.4 電界誘起を用いた静電気の評価

結果を示している．超音波照射から時間が経過するとと

上述した方法を用いて静電気を計測するために，誘起もに局所的な振幅が得られているのが分かる．これは，された電界を測定することで静電気の情報を得る必要が

集束超音波の力によって，塩化ビニルシートの一部が押ある．そのためには，静電ポテンシャルと誘起された電されている過程を示している．超音波焦点の中心部にて界特性の関係を明らかにする必要がある．図 5 の実験シ

変位は最大で約 1 mm で，半値全幅 FWHM = 25 mm 程

ステムを用いて，サンプルを 100 Hz で振動させ，サン度である．集束径より広い範囲ではあるが，これは対象

プルの印加電圧を 0 – 200 V で変化させたときに，モノ

物のヤング率に関係して広くなると考えられる．これよポールアンテナとオシロスコープで測定したシグナルを集束超音波と誘起電界を用いた非近接型静電気計測技術の開発（菊永 和也ら）

105（35）

FFT 変換し，100 Hz の電界強度を計測した．図 （8 a）はこれらの関係性は，帯電したポリイミドフィルムを対正負の電圧をサンプルに印加したときの電界強度と印加象として，音波による励振を用いたときと同様の結果が電圧の絶対値の関係を示している．ここで，この電界強得られている ．このことから，対象物を励振する際に，度は，図 7 に示すようにアンテナによって測定されたシ音波を用いるか，直接的に振動させるかというのは，本

グナルとノイズの差としている．図 （8 a）より，電界強質的に変わらず，励振によって誘起される電界を用いる

度は 0 – 200 V で正の印加電圧と，また，-200 – 0 V で負ことでその対象物の静電気を計測することができる．

13）の印加電圧と直線比例していた．これは誘起された電界

4.5 ロックイン方式を用いた低周波電界計測

がサンプルの静電気の大きさに比例していることを示し

本手法ではある程度の物理的な振幅を必要とするたている．それ故，その電界強度を測定することによってめ，現実的に 1 kHz 以下の低周波の振動数を用いること

表面電位を推測することができ，我々のシステムは 10になる．そのため誘起される低周波の電界を高効率で測V 以上の表面電位の大きさを推定することができた．

定することがこの静電気計測技術の鍵となる．通常，低しかしながら，この電界強度は正負の電気的極性の情周波のアンテナを高効率で測定するためには，その波長報は含まれていない．そこで電気的極性に関連するパラと同程度の長さのアンテナを用いればよいが，1 kHz 以

メータを明らかにするために，正と負の電圧印加したサ

下の電界の波長は 300 km 以上になるため，それは実用

ンプルにおける電界の位相を調べた．図 （8 b）に電界の的ではない．本手法では，電荷振動によって誘起される位相と正負の印加電圧の絶対値の関係を示す．この位相

電界の周波数は対象物の振動特性によって制御することはファンクジョンジェネレーターのリファレンス信号とができる．そのため，対象物の振動数と同じ周波数の電測定された電界信号を比較することによって計算した．

界信号のみ積算することによって，余計なノイズが除去

正と負に電圧印加されたサンプルの電界の位相はそれぞされ小さなレベルの電界も検出することができる．そこれ約 -13 度と 167 度だった．このように印加電圧と電界

で低周波の電界を測定する手段として，同軸ケーブルの位相の関係は，その位相が電荷極性によって変化してい中心線をむき出しにしたモノポール構造のアンテナを用ることを示している．それは電荷の空間的振動に関係しいて，これをロックインアンプに接続し，非近接で電界ており，電荷振動が仮想的な交流電流のように考えるこの計測が可能か実験を行った（図 5）．そのとき，サンとができる．仮想的な電流の方向は正電荷振動（正位相）プル（電圧印加プレート）は 100 V の直流電圧を印加し，の方向と一致するが，負電荷振動（負位相）の方向とは

振幅 250 μm，振動数 100 Hz に設定した．図 9 にアンテ逆になる．そのため，サンプルの帯電極性に依存した位

ナ長 0 – 15 cm における電界強度の距離依存性を示す．

相を持った電界が誘起される．この相対位相はリファレ

ここではサンプルの振動方向と垂直（ X 軸）方向にアンンス信号で同期振動したサンプルと測定するアンテナまテナを移動させ，サンプルを中心として距離 2 – 80 mm

での距離によって変化する．この結果は電界の位相を測で測定した．図 9 より，測定距離が遠くになるにつれて定することによって電荷の極性を判別することができる

電界強度が減衰しており，アンテナ長が長い方が遠方まことを示している．

で電界を検出できているのがわかる．ここで規格化された電界強度 10 は検出感度限界である．アンテナ長が⊖2

図 8 正負の電圧をサンプルに印加したときの（a）印加電圧と電界強度，（b）印加電圧と位相の関係
Fig. 8 （a）Relationship between absolute value of applied voltage
and normalized electric field（EF）intensity, and（b）
relationship between absolute value of applied voltage andelectric field phase for negatively and positively applied
samples.

図 9 モノポールアンテナ長 0 – 15 cm で測定された電界強度の距離依存性
Fig. 9 Distance dependence of electric field（EF）intensity forantenna length 0-15 cm.

106（36）

静電気学会誌 第38巻 第 2 号（2014）

5．まとめ
本研究では，電荷振動による電界誘起を基盤として，
フェーズドアレイを用いて発生させた集束超音波と，ロックインアンプ方式の低周波電界計測を用いることで，非近接で静電気を計測する技術を開発した．集束超音波
は，対象物から 10 cm 以上離れた距離において，集束径
20 mm 程度で，対象物を局所的に励振可能である．また，
低周波電界用の計測として，長さ 10 cm 以上のモノポー
ルアンテナとロックインアンプを用いることで，対象物
図 10 集束超音波によって励振されたポリイミドフィルムを用いてモノポールアンテナで測定された電界強度の距離依存性Fig. 10 Distance dependence of electric field（EF）intensity
measured by monopole antenna using polyimide film
excited by focused ultrasound.

からの距離 80 mm 以上でも測定が可能であることが明10 cm と 15 cm においては、測定距離 80 mm でも電界が扱ったが，今後は電荷量で評価していく予定である．

らかになった．これより，本研究で開発した静電気計測
技術は，対象物にセンサを近接させることなく，かつ測定面積を変化させずに静電気を測定することが可能である．また，本稿では静電気の評価対象として表面電位を計測できており，10 cm 以上でも計測可能だと思われる．
さらに長いアンテナを用いることで低周波電界検出を高6．謝辞

効率化することができ，より離れていても静電気の計測

本研究は独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合が可能になると思われる．

開発機構（ NEDO ）先導的産業技術創出事業（11B09009d ）4.6 非近接における静電気計測の 支援を受けて行ったものである．

図（4 b）の集束超音波を用いた励振システムによって100 V に帯電させたポリイミドフィルムを励振させ，図

参考文献

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injected space charge in a metal ‐ insulator ‐ metal

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13）

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