J. Inst. Electrostat. Jpn.

静電気学会誌，36, 5 (2012) 297-302

AC イオナイザの周波数が除電能力に及ぼす影響
吉水 健剛＊，池畑 隆＊，岩本 菜夏＊＊，岡野 一雄＊＊,1（2012 年 7 月 10 日受付；2012 年 8 月 21 日受理）

Effects of Frequency of AC Air Ionizer on
Static Neutralization Performance
Kengou YOSHIMIZU, Takashi IKEHATA,＊ Nana IWAMOTO＊＊ and Kazuo OKANO＊＊,1＊(Received July 10, 2012; Accepted August 21, 2012)

In this report, we deal with effects of frequency of an AC air ionizer on the static neutralization performance. The airionizer was operated at 7 kV (square wave) in the frequency range of 1–1,000 Hz. The emitter of the air ionizer waslocated right onto the center of the working area. The current density was measured by using a charged plate monitor
as a function of the distance from the center of the working area. The effects of frequency of the air ionizer on theperformance were evaluated by measuring the following 3 methods; the current density at the center of working area
(JNMC), the total current path through the moving area (IL), and the total current path through the working area (IS). The
static neutralization performance (JNMC, IL and IS) at low frequency operation were higher than that at high frequency
operation.

1.

はじめに電子デバイスや電子機器の製造工程，組立工程，実装工程において製品が帯電すると，製品が塵埃を吸引する静電吸引や製品と周囲との物体間での静電気放電等が発生する．これ
らの現象は，製品に特性劣化，破壊，誤動作等の静電気障害① イオナイザのエミッタへの印加電圧，② エミッタへの印加電圧の周波数，③ イオナイザのエミッタから被除電物までの距離等がある．また，除電特性には，① 除電能力：除電速度や除電時間等，イオナイザが被除電物を除電する速さに関する特性，を発生させ，製品の歩留低下の原因となる1-4)．このような問題を解決するために，除電器として，AC コロナ放電型イオ② 最終到達電位：イオナイザで十分長い時間除電を行った
後，最終的に収束する被除電物の電位，ナイザが広く使用されている．
このイオナイザは,エミッタと呼ばれる針状電極に高電圧を印加し，エミッタの先端部にコ③ ゆらぎ電圧：除電が終了し，被除電物の電位が収束した
後の電圧振幅ロナ放電を発生させ，空気中の分子をイオン化する装置である．
一般に，イオナイザの特性は動作条件に大きく依存する．

等がある．

したがって，イオナイザで最適除電を行うためには，動作条本研究では，動作条件としてエミッタへの印加電圧の周波件と除電特性との関係を明確にしておく必要がある5-8)．ここ

数，除電特性として除電能力を選び，これらの関係についてで，動作条件としては，検討した．なお，本研究では除電能力を，① 作業領域の中心 (イオナイザ直下) に置かれたデバイ

キーワード：静電気障害，電子デバイス，除電技術，イオナ
イザ，イオン分布* 茨城大学大学院理工学研究科応用粒子線科学専攻（316-8511 茨城県日立市中成沢町4-12-1）
Department of Institute of Applied Beam Science, Graduate
School of Science and Engineering, Ibaraki University, 4-12-1
Nakanarusawa, Hitachi, Ibaraki 316, Japan** 職業能力開発総合大学校電気システム工学科（252-5196
神奈川県相模原市緑区橋本台4-1-1）
Department of Electrical engineering, Polytechnic University,
4-1-1, Hashimotodai, Midori-ku, Sagamihara, Kanagawa 252,Japan
1
okano@uitec.ac.jp

スに対する除電能力，② 作業領域の中心 (イオナイザ直下) を搬送されているデバイスに対する除電能力，③ イオナイザ下方の作業領域全体に対する除電能力の 3 種類に分類し，それぞれの除電能力に及ぼす周波数の影
響を検討した．
2.
2.1

除電電流と除電電流密度の周波数依存性
実験方法

イオナイザの除電能力は，図1 に示す実験装置で測定した．
この図において，高電圧発生源とこの電源に接続したエミッ298(44)第 36 巻静電気学会誌

第 5 号 (2012)

タがイオナイザに相当する部分である．エミッタの下方に接UF = 0.3 m/s

地した金属製の網状作業台を設け，この作業台上にチャージ
ドプレートモニタ (CPM) のプレートをセットして，イオナ

Powersupply

イザの除電能力を測定した．

Emitterf = 1～1000 Hz

イオナイザのエミッタへの印加電圧 VE は矩形波とした．

DEP = 500 mm

一般に，正の印加電圧 VE+ と負の印加電圧 VE- を同じ値にすると，単位時間当たりの正と負のイオン生成量が異なるた

PlaterP [mm]め，イオンバランスが崩れることがある．また，このイオン-600 -400 -200

バランスは周波数 f に依存するため，周波数 f を変化させる

0200

図1

良好になるような負の電圧 VE- をエミッタに印加した．このイオンバランスの測定は，エミッタの直下に設置した CPM

600CPMごとに調整しなければならない．そこで，正の電圧 VE+ は 7kV とし，それぞれの周波数 f において，イオンバランスが400イオナイザの除電電流密度の分布を測定するための実験装置

Fig. 1 Schematic diagram of setup for measuring the current
density generated by the air ionizer.のプレート電位 VP を測定することで行った．すなわち，イオナイザを長時間動作させ，定常状態になったときの CPM

1500

ミッタに印加して実験を行った．今回の実験において，周波1000

Plate Voltage VP [V]のプレート電位 VP が 0 V になるように負の電圧 VE- をエ
数 f は 1 Hz，10 Hz，50 Hz，100 Hz，1,000 Hz とした．なお，
これらの周波数 f における負の電圧 VE- は，それぞれ －6.54kV，－6.77 kV，－6.79 kV，－6.80 kV，－6.80 kV であった．
エミッタから被除電物までの距離 DEP は 500 mm 一定とし，作業領域の送風の速度 UF は，エミッタから被除電物方IN -  CP VPt5000-500IN   CP VPt-1000-1500

向に 0.3 m/s 一定とした．このような条件下でイオナイザを0動作させ，作業台上に設置した CPM のプレートが除電され204060Time t [s]るようすを測定した．なお，測定位置の範囲は，作業領域の図2 プレート電位と時間との関係の一例

中心 (イオナイザ直下) から水平方向の距離 rP が 0-500Fig. 2 One example of a plate voltage as a function of time.

mm の位置とした．また，本実験で使用した CPM のプレー
流 IN は，式 (1) から，トの静電容量 CP は20 pF である．
実際の測定では，まず，CPM のプレートを －1,100 V でIN 充電し，イオナイザによってプレートが除電される際のプレVP
 CP
t(2)

ート電位 VP と時間 t との関係を求めた．次に，プレートを+1100 V で充電し，同様にプレート電位 VP と時間 t との関となる．この除電電流 IN は，プレート電位 VP の変化に伴係を求めた．って変化するので，本研究では，プレート電位が 1,000 V の

このようにして測定したプレート電位 VP と時間 t とのときの除電電流 IN を使って除電能力を評価することにした．

関係の一例を 図2 に示す．この図において，
プレート電位 VP

プレートを －1,100 V で充電した場合，プレートを除電すると時間 t との関係を示す曲線の接線の傾き (∂VP / ∂t），すなために吸引されるイオンは正イオンとなる．この正イオンのわち除電速度は，移動に基づく除電電流 IN を正の除電電流 IN+ と呼ぶことにVP QP CP  1 QP1 INtt
CP tCP

した．一方，プレートを +1,100 V で充電した場合，プレー(1)トに吸引されるイオンは負イオンとなるので，この電流を負の除電電流 IN- と呼ぶことにした．
この除電電流 IN+，IN- および CPM のプレートの面積 SP かとなる．ここで，QP はプレートに蓄えられた電気量である．

ら除電電流密度 JN+，JN- を算出した．
また，除電電流密度 JN+，

また，式 (1) の (∂QP / ∂t) は単位時間あたりにプレートに流JN- の絶対値の代数平均から平均除電電流密度 JNM を求めた．

入する電気量であるから，プレートに流入する電流，すなわ

2.2

ち除電電流 IN を意味することになる．したがって，除電電

図3-6 は，周波数 f を 1-1,000 Hz の範囲で変化させ，プ

実験結果

AC イオナイザの周波数が除電特性に及ぼす影響（吉水健剛ら）

299(45)レート電位 VP と時間 t との関係を測定した結果である．図

電位 VP の減衰の傾き，すなわち除電電流 IN は，周波数 f が3-6 の測定位置は，それぞれ距離 rP が 0 mm，100 mm，200高くなるに従って小さくなっている．また，これらの図を比mm，500 mm の場合である．これらの図において，プレート較すると，距離 rP が大きくなるに従って，除電電流 IN が小さくなっていることがわかる．また，図6 に示した距離 rP が500 mm の場合，周波数 f が 10-1,000 Hz では，プレートがPlate Voltage VP [V]1500

ほとんど除電されていないことがわかる．

10001000Hz

50010Hz

100Hz

おける正イオンに基づく除電電流 IN+，および負イオンに基1Hz0

前述の方法で，それぞれの距離 rP，それぞれの周波数 f にづく除電電流 IN- を求めた．次に，これらの結果から，それぞれの除電電流密度 JN+，JN- および平均除電電流密度 JNM を-500算出した．

-1000

図7-9 は，イオナイザ直下からの水平方向の距離 rP と除電電流密度との関係を示した結果である．図7 は正の除電-1500
0204060Time t [s]電流密度 JN+，図8 は負の除電電流密度 JN-，図9 は平均除電電流密度 JNM の分布である．これらの結果において，除図3 プレート電位と時間との関係（rP = 0 mm）

電電流密度の絶対値は，正イオン，負イオン，平均値の種類

Fig.3 Plate voltage as a function of time (rP = 0 mm).に関係なく，イオナイザ直下で最大値を示し，距離 rP が大

1500

10001000Hz

Plate Voltage VP [V]

Plate Voltage VP [V]1500100Hz

5001Hz010Hz-500-100010Hz, 100Hz, 1000Hz

10001Hz

5000-500-1000-1500-150002040060204060

Time t [s]Time t [s]図4 プレート電位と時間との関係（rP = 100 mm）

図6 プレート電位と時間との関係（rP = 500 mm）

Fig.4 Plate voltage as a function of time (rP = 100 mm).

Fig.6 Plate voltage as a function of time (rP = 500 mm).

41Hz
10Hz
50Hz
100Hz
1000HzPlate Voltage VP [V]2Current Density JN+ [μA/m ]

1500
1000

1000Hz

500

10Hz

100Hz

1Hz0-500-1000

3210-15000204060

Time t [s]0100200300400Plate Position rP [mm]500

図5 プレート電位と時間との関係（rP = 200 mm）

図 7 正の除電電流密度と水平方向の距離との関係

Fig.5 Plate voltage as a function of time (rP = 200 mm).

Fig.7 Positive current densities as a function of the plate position.

300(46)

静電気学会誌

第 36 巻らに，これらの除電電流密度の絶対値は，周波数 f が高くな0るに従って低くなっている．

2Current Density JN- [μA/m ]第 5 号 (2012)

図9 に示したデータから，平均除電電流密度 JNM の周波数-1依存性を求めた結果が図10 である．この図において，平均除電電流密度 JNM は，距離 rP に関係なく，周波数 f が高くな

-21Hz
10Hz
50Hz
100Hz
1000Hz-3るに従って低くなっている．
3.
3.1-40100200300
400Plate Position rP [mm]500除電能力の周波数依存性評価方法

本研究では，除電能力を 図11 に示すように，① 作業領域中心の平均除電電流密度 JNMC，

図8 負の除電電流密度と水平方向の距離との関係② 搬送領域の除電電流 IL，

Fig.8 Negative current densities as a function of the plate position.

③ 作業領域の全除電電流 ISの 3 種類に分類して検討する．
「作業領域中心の平均除電電流密度 JNMC」は，「1.はじめ

1Hz
10Hz
50Hz
100Hz
1000Hz2Current Density JNM [μA/m ]43に」で述べた「① 作業領域の中心 (イオナイザ直下) に置かれたデバイスに対する除電能力」を意味し，イオナイザ直下の平均除電電流密度を意味する．
「搬送領域の除電電流 IL」は，「1.はじめに」で述べた「②2作業領域の中心 (イオナイザ直下) を搬送されているデバイスに対する除電能力」を意味する．1,000 V に帯電した幅 W

1のデバイスがイオナイザ直下を通過した場合，除電電流 ILの値がデバイスの除電能力を決定する．この除電電流 IL は，00100200300400Plate Position rP [mm]500

平均除電電流密度 JNM の分布の積分値，すなわち，

(3)IL  W JNM drP

図9 平均除電電流密度と水平方向の距離との関係
Fig.9 Mean current densities as a function of the plate position.となる．
「1.はじめに」で述べた「③「作業領域の全除電電流 IS」は，

0mm
100mm
200mm
300mm
400mm
500mm

2Current Density JNM [μA/m ]432

イオナイザ周辺の作業領域全体に対する除電能力」を意味す
る．1,000 V に帯電したデバイスが作業領域全体に広がってAC ionizer

1ＪNMC : Current density at the centerあ areaof working

01

10100Frequency f [Hz]1000ChargedProduct

図 10 平均除電電流密度と周波数との関係
Fig.10 Mean current densities as a function of the frequency.

IL:Total current paththrough the moving area

IS :Total current paththrough the working area

きくなるに従って低くなっている．また，除電電流密度の広図 11 除電能力の評価方法

がり幅は，周波数 f が高くなるに従って狭くなっている．さFig.11 Evaluation methods for the static neutralizing performance.

AC イオナイザの周波数が除電特性に及ぼす影響（吉水健剛ら）
4.

Normalized Current IL / IL1, IS / IS1

Normalized Current Density JNMC/JNMC11.2

JNMC/JNMC1IL / IL1
IS / IS1

14.1301(47)除電能力の周波数依存性に関する考察
生成したイオンの移動方向

コロナ放電型イオナイザのエミッタの先端で生成されたイ0.8

オンに働く力は，① エミッタからの電界に基づく力 FE，0.6② イオン間の斥力 FI，0.4③ 送風に基づく力 FF0.2の 3 種類に大別できる．図 1 に示した実験装置図のエミッタに高電圧を印加すると，接地した金属製作業台とエミッタ

0110100
Frequency f [Hz]1000との間に電界が発生し，この電界によってイオンに力 FE が働く．この力 FE はエミッタから作業台に向かう力となる．

図 12 規格化した除電能力と周波数との関係

また，イオン間の斥力 FI は，エミッタ先端で生成されていFig.12 Normalized current density and current as a function of

るイオン間の反発力であるから，エミッタ先端から放射状に

frequency.

広がる方向に働く．さらに，作業領域には 0.3 m/s の送風が存在するため，この送風に基づく力 FF はエミッタから作業存在した場合，除電電流 IS の値が除電能力となる．この除台に向かう垂直方向の力となる．これらの力に基づいて，イ

電電流 IS は，平均除電電流密度 JNM の分布の積分値，すな

オンは，図 13 に示すように下方に輸送されながら，水平方わち，向に広がることになる．
4.2

IS  JNM ds(4)

イオンの移動に及ぼす周波数の影響

イオンの移動に及ぼすエミッタへの印加電圧の周波数 f の影響について考える．イオナイザのエミッタに交流電圧 VEとなる．

を印加した場合，エミッタには半周期毎に正と負の電圧が印3.2加され，正と負のイオンが交互に生成される．したがって，評価結果

3 種類の除電能力，すなわち作業領域中心の平均除電電流

エミッタ周辺の空間は，半周期毎に正または負の単極性イオ密度 JNMC，搬送領域の除電電流 IL，作業領域の全除電電流 ISンが分布した領域（単極領域）となる．また，この単極領域の周波数依存性を比較検討する．これらを比較するために，の外側は，正イオンと負イオンが混合状態となった領域（混それぞれの除電能力の最大値 (1 Hz の JNMC，IL，IS) で除電合領域）となる．

能力を規格化した．この結果を 図 12 に示す．この図におい周波数 f が低い場合，半周期の時間が長くなるため，図 13て，エミッタへの印加電圧の周波数 f が高くなるに従って，(a) に示すように，単極領域は大きくなる．一方，周波数 f が作業領域中心の平均除電電流密度 JNMC，搬送領域の除電電流高い場合には，図 13 (b) に示すように，単極領域は小さくな

IL，作業領域の全除電電流 IS はすべて小さくなる傾向を示しる．この結果，周波数 f が高くなるに従って，除電電流密度ている．イオナイザを 1 Hz で動作させた場合の作業領域中の水平方向への広がり幅は，狭くなったと考えられる．

心の平均除電電流密度 JNMC の値は，1,000 Hz に比べて 5 倍程度になっている．また，搬送領域の除電電流 IL の 1 Hz とAC ionizer

1,000 Hz を比較すると，1 Hz の値は 1,000 Hz の 8 倍程度にAC ionizer

Emitterなっている．さらに，作業領域の全除電電流 IS 場合は，1 Hzの値は 1,000 Hz の 13 倍程度になっている．
従来の除電能力の評価では，作業領域中心の平均除電電流
密度 JNMC を用いる方法が一般的であった．しかし，今回の結果からもわかるように，搬送中の製品を除電する場合等，CPM

CPM

除電すべき製品の状態によって評価結果に差が現れることが(a) Low frequency
operation(b) High frequency
operation

明らかになった．
すなわち，製品の除電特性を評価する場合，評価方法の妥当性も検討する必要があることが明らかになっ図 13 イオン分布モデル

た．

Fig.13 Ion distribution models. (a) : at low frequency, (b) : at highfrequency.

302(48)4.3

静電気学会誌

第 36 巻

第 5 号 (2012)の周波数が高くなるに従って，除電能力は低くなる．

イオンの到達率の周波数依存性

水平方向と同様に垂直方向の単極領域の大きさも，周波数f が高くなるに従って小さくなる．したがって，周波数 f が高くなるに従って，混合領域は大きくなる．この混合領域で

参考文献
1)

気学会誌, 29 (2005) 92

は正と負のイオンは再結合しながら輸送されるので，この領域が大きくなると再結合で消滅するイオンが増加し，作業領

2)3)

福田保裕: 半導体デバイスの静電気対策. 静電気学会誌，
29 (2005) 104

る．この結果，作業領域の除電電流密度が低くなったと考えられる．

大津孝佳: GMR ヘッドの ESD コントロール. 静電気学会
誌, 29 (2005) 98域へのイオンの到達率は低下する．すなわち，周波数 f が高くなると，混合領域が大きくなり，イオンの到達率は低下す

藤江明雄: 電子デバイスにおける ESD 対策の推移. 静電

4)仲野 陽：TFT 液晶パネルの ESD ソリューション・テクノロジー— 進化し続けるTFT 液晶パネルのための静電気

5.

制御・管理技術への期待. 静電気学会誌, 29 (2005) 110

まとめ

本研究では，AC コロナ放電型イオナイザの動作条件であ5)

H. Imazono, T. Terashige and K. Okano : The Double Jet

るエミッタへの印加電圧の周波数が除電能力に及ぼす影響を

Ionier for ULSI Manufacturing Processes. IEEE Trans.

検討した．この結果は，以下のようにまとめられる.

Semiconduct. Manuf. 15 (2002) 189(1) エミッタへの印加電圧の周波数が高くなるに従って，

6)

吉岡ひさよ，依田安基，岡野一雄：AC コロナ放電型イ

作業領域中心の平均除電電流密度は低くなる．

オナイザの除電速度に及ぼす周波数と風速の効果(I)―実(2) エミッタへの印加電圧の周波数が高くなるに従って，除験的検討―. 第 15 回 RCJ 信頼性シンポジウム発表論文集，p.153, 日本電子部品信頼性センター (2005)

電が可能な作業領域の範囲は狭くなる．
(3) エミッタへの印加電圧の周波数が 1 Hz の除電能力の7)

値は 1,000 Hz の除電能力の値と比較して，依田安基，吉岡ひさよ，岡野一雄：AC コロナ放電型イオナイザの除電速度に及ぼす周波数と風速の効果(II)―① 作業領域中心の平均除電電流密度の場合は 5 倍，シミュレーションによる検討―. 第 15 回 RCJ 信頼性② 搬送領域の除電電流の場合は 8 倍，

シンポジウム発表論文集，p.157, 日本電子部品信頼性セ③ 作業領域の全除電電流の場合は 13 倍

ンター (2005)となり，評価方法によって除電能力の周波数依存性に大きな差が現れる．
(4) 除電能力の評価方法に関係なく，エミッタへの印加電圧8)清水 渡，永田秀海，和泉健吉，児玉 勉：高周波コロ
ナ放電式ノズル型イオナイザの除電特性. 静電気学会誌，
29 (2005) 62