静電気学会誌，42, 4（2018）192-197

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

粉粒体用静電チャックの基礎特性と人工播種への応用
大森 拓磨，杉本 俊之（2018年1月30日受付；2018年5月15日受理）

Basic Characteristics of an Electrostatic Chuck for Granular Materials
and Application to Artificial Seed Planting
Takuma OMORI and Toshiyuki SUGIMOTO（Received January 30, 2018; Accepted May 15, 2018）
For manipulating granular materials or particles, several methods are developed using mechanical, electrical, and optical ways.
Although these methods can manipulate only one particle called one by one method, it is difficult to manipulate fixed amount ofparticles at once. We developed chucking and releasing system for granular materials using the principle of an electrostatic
chucking. The particles are chucked by induction charging, and released by charge elimination along with vibration. The
chucking model estimating the number of particles as a function of the electrode diameter, applied voltage, and particle diameter
was developed and confirmed by experimental results. By controlling the area of the induction charging electrode, or thedistance between electrode and particles, it was possible to control the amount of particles to be chucked. Also, only one particle
can be chucked by selecting electrode diameter and applied voltage. It was found that the electrostatic chuck was significantly
effective for manipulating single or plural particles.

1．はじめに

本研究では単極性静電チャックの原理を応用し，一度粉粒体を搬送する装置として，振動フィーダー，ローに複数粒のマニピュレーションを行う装置の開発を行っタリーフィーダーあるいはテーブルフィーダーなどの方た．これは，絶縁被膜した電極の表面に粉粒体を誘導帯法が提案されており，微量の定量供給も可能になってき電させて吸着する機構と，吸着した粉粒体を除電して脱ている ．しかし，これらの供給方法は機械的な力で粉着させる機構を分けたことを特徴とする装置である．本

粒体を押し出す構造になっているため，粉粒体の流動性

論文では，その基礎特性を調べ，動作原理を明らかにしの違いによって供給量が大きく変化したり，機械的な力た．また，その応用例の一つとして人工播種について検で壊れやすい粉粒体の供給が困難であったりする問題が討した結果について報告する．

1）

ある．また，ごく微量の粉粒体をとり扱うのは困難であるため，このような場合は 1 粒 1 粒を掴んで離すマニピ

2．粉粒体用静電チャックの原理ュレーション方法を用いることになる．例えば，比較的

2.1 装置の概要

大きなものはピンセットや 2 本針等があり，真空チャッ

図 1 に示すように，試作した粉粒体用静電吸着・脱着装

ク やレーザーを用いる方法

3）用いる方法も提案されている

4-6）

等，さらに，静電気力を置は静電吸着装置 ，除電装置 および振動子からなる．
（a）．これらの粉粒体のマニのように粉粒体サーバの中から必要な量の粉粒体を吸着

ピュレーション方法は，1 度に粉粒体 1 粒のみをマニピュし，必要な場所へ移動させた後，（ b ）のように除電装置レーションする方法（ One-by-one-method ）であり，複数と振動子を用いて脱着する機構になっている．静電吸着装の粉粒体を 1 度に取り扱う方法（ Many-at-once-method ）置は図 2 に示すように絶縁被覆した直流高電圧電極（以下，の研究はあまり進められていない．

吸着電極）から成り，負極性の電圧を印加し，粉粒体に正2）7）8）の電荷を誘導させて絶縁層の表面へと吸着させる．電極のキーワード：粉粒体，静電チャック，誘導帯電，除電装
置，人工播種＊山形大学大学院 理工学研究科（〒992-8510 山形県米沢市城南 4-3-16）
Graduate School of Science and Engineering, Yamagata
University, 4-3-16 Jonan, Yonezawa-shi, Yamagata, 9928510, Japan1
toshi@yz.yamagata-u.ac.jp

端効果をなくすため，高電圧電極を囲むように接地電極を配置している．脱着する際は，吸着電極への印加電圧をゼロにした状態で図 3 に示す除電装置を動作させる．
正負の針電極に直流高電圧を印加すると針先から正負のコロナイオンが放出され，粉粒体の持つ正の電荷を除去するとともに，絶縁層表面の残留電荷を除去する．除電操作のみで粒子が脱着しない場合には振動子による振粉粒体用静電チャックの基礎特性と人工播種への応用（大森 拓磨ら）

193（45）静電気力で吸着させることができるため，自重の大きいものや硬度が高いものをマニピュレーションするのに向いていると考えられる．飛昇吸着は粒径が小さく，自重の小さいものが向いており，特に接触により壊れやすいような顆粒等をマニピュレーションするのに向いている．

2.2 対象とする粒子
本方式では，静電気力が，粒子の自重による重力などの下向きの力よりも大きくなると吸着させることができる．粒径が小さいもの（十数 μm 以下）では粒子間の吸着や空気中の水分による付着力が支配的となるため，静電気力のみでは吸着できない可能性がある．一方，粒径が大きいもの（数 mm 以上）では静電気力よりも重力が支配的となり吸着できない．本方式では，誘導帯電による飛昇吸着が可能とされている粒径範囲（十数 μm～数mm ）を対象とした．また，粒子が導電性を持たなけ9-11）れば誘導帯電しないため，絶縁体粒子は対象外とした．
図 1 粉粒体用静電チャック
Fig.1 Electrostatic chuck for granular materials.

本論文では，球状粒子を対象とした接触吸着と飛昇吸着に対する吸着モデルを構築し，理論的な吸着数を導出した後，大きさの揃った 2 種類の導電性粒子（直径 1mm と 0.3 mm ）を用いた吸着実験によりモデルの妥当性を確認し，吸着数を制御するための知見を得た．次に，吸着電極の面積等によって吸着数を１個から多数個まで制御する方法について実証試験を行った．最後に，本方式による産業応用の一つと考えられる人工播種について，実際の種を用いて吸着・脱着量を制御するための実証実験を行った．これらの実験に使用した粒子および種

図 2 吸着原理図
Fig.2 Chucking principle.

は，いずれも上記の粒径範囲内にある．

2.3 吸着モデル
本方式による吸着特性を理解しやすくすることを目的として，簡単な吸着モデルを構築した．
粒子に加わる電界は式（1）で表すことができる．
（1）
ただし，V0［ V ］は高電圧電極への印加電圧，d［ m ］は

図 3 試作した除電装置
Fig.3 Field driven ionizer used in this study.

絶縁層の表面から粒子の中心までの距離，ε r は絶縁層の比誘電率であり，d［m ］は絶縁層の厚さである．
（図 2 参c照）また，電界 E0［ V/m ］によって直径 Dp［ m ］の球状動を加える．
吸着電極は電動ステージ（シグマ光機，SGSP33-100）によって高さを調節することができる．吸着電の先端を粉粒体サーバの中に埋めて（接触させて）吸着させる方粒子に誘導されるときの誘導電荷は式（2）で与えられる ．
8）

（2）したがって，粒子に加わる静電気力は式（3）となる．

法（接触吸着）とサーバ内の粉粒体からは距離をあけて静電気力で飛昇させて吸着させる方法（飛昇吸着）について検討した．接触吸着は粉粒体に接触させ非常に強い（3）

194（46）

静電気学会誌 第42巻 第 4 号（2018）

誘導帯電による静電気力の他にも接触帯電によって発生する静電気力やファンデルワールス力等もあるが，小に誘導電荷 σ sC が配分されると考えるので，最大飛昇吸
着量 NF は NC を用いて次式で与えられる．

さいものとして無視すると，粒子が持ち上がる最小の電（9）界は式（4）で表すことができる．

NC は電極径と粒子の径で決まり，Emin は粒子の径と密（4）度で決まるため，飛昇吸着では E0 によって吸着量 NF を調整することもできると予想される．

ただし，ρ［g/m ］は粒子の密度である．Emin は粒子の直3径 Dp と密度 ρ の積の関数となり，この値が大きいほど3．実験結果および考察大きな電界を印加する必要がある．

3.1 吸着・脱着時の挙動の例

2.3.1 接触吸着

直径 8 mm の円柱状電極の底面に厚さ 165 μm のテフロ接触吸着によって吸着される粒子の最大個数についてンテープを貼り付けて吸着電極を構成した．この吸着電考える．直径 D［mm ］の円柱状吸着電極に粒径 D［mm ］
ep

極に -2.0 kV を印加し，粒子として粒径 1.0± 0.02 mm のの球状粒子を複数個吸着させる場合，粒子が最大数吸着金属球（千住金属工業株式会社，エコソルダーボールされた状態を下からみると直径 De+Dp の円の中に粒子がM705 1.0φ，1 粒の質量約 3.7 mg ）を接触吸着させた際の存在することになるので，粒子が存在する部分の投影面吸着面の様子を図 4 に示す．
（ a ）は吸着時であり，絶縁積 S［mm ］は式（5）となる．
e層に粒子が均一に吸着されていることが確認できる．
（b）

2



（5）

は脱着時であり，除電および振動によって完全に脱着させることができている．繰り返して吸着させたときの電ただし，kr は粒子間にできる不可避な隙間を考慮するた極上の粒子の吸着量（個数）を図 5 に示す．10 回の試行

めの 1 より小さい定数である．粒子径が小さいほど隙間でほぼ同数の粒子が吸着され，平均値が 53.6 個，標準偏なく粒子が詰まるので 1 に近くなる．最大数吸着された差は 3.87 であった．誘導帯電を用いる吸着の原理上，粒粒子の個数を NC 個とすると，Se は次式でも表される．

子が 2 重に重なって吸着されることはなく 1 層のみで吸（6）られる．ほぼ同数の中での吸着個数にばらつきがみられるのは，使用した粉粒体サーバ内での上層部での粒子のよって，NC は式（7）で表すことができる．
（7）

着されるため，ほぼ同数の粒子が吸着されるものと考え配列の影響で粒子間の隙間にばらつきが生じたためと考えられる．また，図 5 では脱着後に残った粒子の個数は式（7）より，吸着電極の直径 De によって最大吸着数 NCを調節できることが予想される．また，粒子の大きさ Dpが分かれば，吸着個数をある程度見積もることができる．

2.3.2 飛昇吸着
d の大きさを粒子の半径よりも大きくなるように吸着電極を設置すると，静電気力が重力よりも大きい条件では粒子が上向きに飛昇して吸着する．このとき，印加電

図 4 吸着電極の様子
Fig.4 Observation for chucking electrode.

圧と逆極性の電荷が絶縁層表面に吸着されることになる
ため，まだ吸着していないサーバ内の粒子に加わる電界E′［m/s ］は式（8）のように低下してしまう．
（8）ここで，σ s は絶縁層に付着した粒子による表面電荷密度である．帯電した粒子の付着による電界の低減効果で後から来る粉粒体の飛昇が止まる際は E′が式（4）の Emin になる．一方，接触吸着では式（8）の電界が 0 になるよう

図 5 1 mm 粒子の吸着・脱着特性
Fig.5 Chucking and releasing characteristic for φ1.0 mm particles

粉粒体用静電チャックの基礎特性と人工播種への応用（大森 拓磨ら）
0 であり，完全に脱着できていることが分かる．

195（47）に接触させた際，最も上層にある粒子すべてが吸着電極とこのような粒子の吸着や脱着は，吸着電極への電圧の接触しているわけではないことを示唆している．吸着電極印加直後，あるいは，除電装置への電圧の印加直後の 1と粒子との間に空隙があると，誘導電荷が小さくなるため秒以内に速やかに行われた．これは，対象となる粒子の静電気力が小さくなり，十分な吸着力が得られない．この抵抗が十分小さく，誘導電荷の移動が速やかに行われる状態で電極を引き上げると，空隙なく電極に接触して十分ためであり，粒子の抵抗が大きくなれば，吸着や脱着にな静電気力を得ている粒子のみが吸着されていることにな要する時間は長くなることが予想される．

る．印加電圧が十分に大きくなると，電極と粒子との間に3.2 電極直径依存性多少の隙間が生じていても静電気力で粒子を電極に引き3.1 と同じ構成で直径が 2～8 mm の円柱状吸着電極を付けることができるため，吸着される粒子の数は増えるも製作し，接触吸着による吸着量（個数）を測定した結果のと考えられる．吸着数のばらつきを小さくするには，十を図 6 に示す．電極の直径 De が大きくなるほど吸着量分大きな電圧を印加する必要がある．

が多くなる傾向は式（7）と同様であり，kr は 0.73～0.84

3.4 接触吸着と飛昇吸着の比較であることが確認された．電極径に対して粒子径が大きいため隙間の割合も大きい．

接触吸着と飛昇吸着を比較するために，吸着に必要な電界が小さい粒径 300± 10 μm の金属球（千住金属工業株

3.3 印加電圧依存性式会社，エコソルダーボール M705 0.3φ，1粒の質量約 100

印加電圧を -0.5～-2.0 kV の範囲で変化させたときの接μg ）を粒子として用いた．この粒子が入ったサーバに直触吸着による吸着量（個数）を図 7 に示す．-0.5 kV 時では，径 8 mm の吸着電極を埋め込み -2.0 kV の電圧を印加して静電気力が小さかったため吸着させることができなかった

接触吸着させたときと，このサーバ内の粒子群から吸着電が，-1.0 kV 以上の電圧で粒子を吸着させることができた．

極を約 1～2 mm 離した位置において -2.0 kV の電圧印加で式
（1）と式
（4）
を用いて吸着に必要な最小電圧を算出すると

飛昇吸着させたときの様子をそれぞれ図 8（ a ），（ b ）に-0.532 kV となり，-0.5kV では吸着数が 0 になっている実示す．接触吸着では隙間なく吸着されているが，飛昇吸着

験結果と符合する．-1.0 kV 印加時の吸着量のばらつきがでは粒子同士が隣接せずまばらに吸着されている様子が大きいのは，吸着電極をサーバ内に充填されている粒子群分かる．これは，粒子同士に静電反発力が働くことや粉粒体を吸着させた直下の電界が弱まることが原因と考えられ
る．2 種類の吸着による吸着量（質量）の違いを図 9 に示す．
縦軸は重さであるが，粒子 1個の重さは 100 μg なので，個数に換算することもできる．接触吸着では 60～75 mg を吸着させることができた．粒径が 300 μm の粒子の最大吸

図 6 電極径と吸着粒子数との関係
Fig.6 Number of chucked particles depending on the electrode
diameter De.

図 7 電極への印加電圧と吸着粒子数との関係
Fig.7 Number of chucked particles depending on the appliedvoltage V0.

図 8 接触吸着と飛昇吸着との付着状態の違い
Fig.8 Comparisons of contacting and flying chucking.

図 9 吸着法による吸着重さの違い
Fig.9 Comparison of weight of the particles by chucking method.

196（48）

静電気学会誌 第42巻 第 4 号（2018）

着数 NC の理論値は式（7）において kr=1 とすると 765 個である．実際に吸着した粒子は 744 個であり，理論的な最大値とほぼ一致した．粒径が小さいために隙間が小さくなり，kr が 1 に近づいた．飛昇吸着では 20～30 mg を吸着させることができた．これを数に変換すると最大 300 個である．
一方，式（9）の理論式から d=1～2 mm の範囲で NF を算出
すると 366～557 個となり，d=2.0 mm の時におおよそ実測値と一致することが確認された．これらの結果から，粒子の径が一定であれば，式（7）や式（9）を用いてある程度吸着数を予測できることが分かった．

図 11 分割型電極を用いた時の吸着状態
Fig.11 Observation for chucking electrode.

4．分割電極による吸着制御
前節より電極径を変更することで吸着量を制御できることが明らかになった．しかし，サイズの違う電極に取り換えて吸着量の制御を行うことは手間となってしまう．そこで，1 つの吸着電極で吸着量を調整できるように，図 10 に示すような 5 つの円柱電極を有する分割電極を試作した．
図の斜線部は ABS 樹脂であり，5 本の円柱電極は互いに絶縁されている．電圧を印加する電極の本数によって吸着(a) φ1.0 mm量を変化させることを狙った．1 つ 1 つの電極の周りに接地電極を配置できなかったため，吸着を行わない電極は接地することで，余分な粉粒体が静電気力によって吸着してしまうのを防いだ．1 つの電極の直径 Dp は 1.6 mm である．
電極 1 つに対する吸着最大量は，粒径 1.0 mm の粒子を吸着したとすると式（7）より 6 個となる．また，粒径 300 μmの粒子を吸着したとすると，式（7）より 40 個である．
試作した分割電極を用いて粒径 1.0 mm の粒子を，-2.0kV の印加電圧で接触吸着させた際の吸着電極表面の様子を図 11 に示す．電圧を印加した電極の直下に粒子が吸着されているが，印加電極数が 2 本と 5 本のときは電極と電(b) φ0. 3 mm
図 12 電圧を印加する電極の数と吸着個数との関係
Fig.12 Chucking amount by split electrode for metal particle.

極の間にも粒子が吸着された．これは，電極 1 つ 1 つが接地電極でシールドされていないことに起因するものと考えれば容易に吸着数を制御できることが確認された．

られる．電極数による吸着量の違いを図 12 に示す．
（a）は粒径 1.0 mm，（ b ）は粒径 0.3 mm の粒子を吸着した結5．検討果である．上記の理由により式（7）で得られる最大吸着量5.1 粒子1粒のみ吸着させる方法よりも多く吸着されたが，どちらの粒子でも印加電極数を本装置において，複数粒の粉粒体の吸着・脱着を行う増加させることで吸着量が増加したため，分割電極を用いことができた．吸着個数を正確に決めるため，分割電極のうちの 1 つの電極に 1 つの粒子を吸着させることができれば，電圧を印加する電極の数で粒子の数を制御できると考えられる．そこで，粒子 1 粒のみを吸着させるための条件について検討を行った．
式（7）より，最大吸着量を 1 に近づけるためには粒径 Dpよりも電極径 De をできるだけ小さくする必要がある．そこ

図 10 分割型電極
Fig.10 Split electrode.

で，図 10 に示した分割電極の中心の電極（1.6 mm ）1本に導電性を付与させた直径 2.0 mm，密度 1.19 mg/mm のポ3

粉粒体用静電チャックの基礎特性と人工播種への応用（大森 拓磨ら）

197（49）

表 1 使用した種の諸特性と吸着・脱着実験の結果
Table 1 Chucking and releasing characteristics for test seeds.
Test seeds
White radsh sprouts
Bamboo Shoots lettuce
SpinachWhite stems mitsuba
ArugulaMizunaSweet basil
Jew

Major axis（ mm ）3.8 ± 0.33
4.3 ± 0.46
4.2 ± 0.33
5.1 ± 0.76
2.0 ± 0.070
1.6 ± 0.43
2.2 ± 0.14
2.1 ± 0.18

Minor axis（ mm ）3.1 ± 0.26
1.1 ± 0.23
3.6 ± 0.31
1.0 ± 0.040
1.4 ± 0.15
1.2 ± 0.30
1.2 ± 0.13
1.5 ± 0.36

Weight（ mg ）17.6 ± 2.8
1.46 ± 0.18
16.6 ± 2.6
2.50 ± 0.60
1.83 ± 0.31
2.30 ± 0.66
1.95 ± 0.22
1.14 ± 0.56

Chucking〇〇〇〇〇〇〇〇

Releasing〇〇〇〇〇〇〇〇

リカーボネイト（ PC ）球（佐藤鉄工株式会社）を粒子とが 1 本 で は 1 個，2 本 で は 2～4 個，4 本 で は 3～5 個，5して吸着状態の確認を行った．印加電圧 -2.0 kV の接触吸本では 5～8 個の種が吸着された．このことから，本方着では吸着量が 2～3個であった．式（7）よりこの条件で得式によって吸着させる種の数を制御し，必要な数のみをられる最大吸着量は 3個であり，理論値と同程度の吸着量播種できる可能性が示唆された．となった．そこで，式（9）からも分かるように飛昇させることで吸着数の制御を試みたところ，粒子 1粒のみを吸着さ6．まとめせることができた．このように，条件を選べば分割電極 1粉粒体用静電吸着・脱着装置を開発し，その基礎特性つに粒子 1粒を吸着・脱着することもでき，吸着数を正確を明らかにした．接触吸着と飛昇吸着による吸着モデルをに制御することも可能であることが確認された．

構築し，吸着電極の面積や印加電圧で吸着数が制御でき5.2 種の吸着ることを明らかにし，実測によりモデルの妥当性を確認で本方式は，機械的な力ではなく静電気力でやさしく粒きた．また，粒径 0.3～2.0 mm の球状粉粒体や長径 1.6～子を吸着・脱着できることが特徴の 1 つである．
その特徴を活かした粒子操作の 1 つとして人工播種へ5.1 mm の不定形粒子の吸着・脱着することができた．分
割電極を用いることで，電圧を印加させる本数を変化させ，の応用について検討した．近年では工場内で内部環境を吸着量を制御させることができた．さらに，人工播種を目整えることで野菜などの植物を計画的に生産する工場栽的とした植物の種の吸着実験として，カイワレ大根の種の培が行われているが，種を植える作業は人の手で行われ吸着を行った結果，1～8 個の間で吸着数を制御することていることが多く，その機械化が期待されている．

ができ，人工播種に応用できる可能性が示された．

表 1 に示す種の吸着試験を行ったが，大きさや重さが今後は，粒径が一定ではなくばらついている粉粒体を違ってもすべての種の吸着・脱着を行うことができた．

一定量だけ吸着させる方法や，より小さい粒子を必要なこれらの種は，十分低い抵抗を持ち，電極に吸着するの数だけ吸着・脱着する方式について検討する．に十分な誘導電荷が供給されたためと考えられる．
分割電極によって吸着量を制御する 1 例として，カイ7．謝辞

ワレ大根の種の実験結果について述べる．この種は長径

本研究は科学技術振興機構研究成果展開事業地域産学が約 4 mm，短径が約 3 mm であるが，質量が 13.1～21.3

バリュープログラム課題番号 VP29117940417 の支援をmg と個体によって質量差がある．この種を分割電極に受けて行われたことを付す．

よって吸着させた際の結果を図 13 に示す．印加電極数
参考文献
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2） 特開 2001 － 319941
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図 13 分割電極によるカイワレ大根の種の吸着数制御
Fig.13 Chucking amount by split electrode for radish seeds.

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