静電気学会誌，42, 1（2018）2-8

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論

文

絶縁体同士の摩擦帯電及び接触帯電に関する実験的検討
平井 学 ，木村 裕和
＊, 1

＊＊

（2017年9月11日受付；2017年11月10日受理）

Experimental Study on Triboelectrification andContact Electrification Between Insulators＊, 1

Manabu HIRAI＊＊

and Hirokazu KIMURA（Received September 11, 2017; Accepted November 10, 2017）
Measurements on the triboelectrification and contact electrification of insulators were investigated using a vacuum apparatus
and an electrostatic eliminator to avoid the unnecessary charge besides the contact interface of specimens after the contact andfriction. In the triboelectrification the charge of all the samples was saturated with the number of friction, and the obtained
charge with conductive surface was larger than that of nonconductive surface. In the contact electrification we concluded thatthe obtained charge was not significant. But the results were negative in the mechanism that the charge could move from one
to the other only by contact.

1．序文

今回，測定感度を向上させて，絶縁体同士の接触帯電

帯電は接触の効果によって生じ，摩擦は接触面積を増だけでなく摩擦帯電も調査した．絶縁体同士の接触及び大させるという摩擦帯電についての説明は Volta-Helmholtz

分離方法はこれまでと同じように真空装置と除電器を利

仮説

1-3）

と言われ，さまざまな検証及び議論が行われてき用した．接触帯電量測定は摩擦帯電量測定と異なり，摩

たが

3-16）

，絶縁体同士を摩擦速度ゼロ（接触させただけ）

擦帯電列と一致するような結果が得られなかった．各測，未だに議定の結果から絶縁体を含む場合，接触させただけで電荷論が続いている．接触させただけで電荷が移動することが一方から他方にエネルギー準位の差の分だけ電荷が移について，Frenkel は固有ポテンシャルの高い方から低動する機構は存在しないという結論が得られた．

で分離すると帯電しないという報告も多く

4-9）

い方へと電子が移動し，その結果形成される電位差がポテンシャル差を打ち消したとき平衡状態に達すると説明

2．実験方法している ．また，それはトンネル効果によって生じる

2.1 試料準備と Harper は提案している ．しかし，このような機構に絶縁体試料として，ポリメチルメタクリレート（ PMMA ），よる帯電量が期待される値と比べて少ないという報告もナイロン 6（ N6），ポリオキシメチレン（ POM ），アクリ

あり，松山らは電荷緩和モデルを提唱している

ロニトリルブタジエンスチレン（ ABS ），ポリテトラフ

16）

3）

．

12, 13）

筆者らは絶縁体同士の接触帯電量の測定を試み，0.0

ルオロエチレン（ PTFE ），ポリ塩化ビニール（ PVC ）pC から 714 pC までばらつきのある結果が得られた ．

を用いた．いずれも市販のもので，試料から切削加工機

その原因は，接触時に微少な摩擦が生じてしまうためでを 用 い て PVC 以 外 は 円 板 状 に 試 験 片 を 切 り 出 し た．

はないかと報告したが，その後，絶縁体同士の接触帯電

PVC は Fig.1 の S1 に示したように円柱状に加工し，さらの有無を議論するためには測定感度が不十分であったこに真空装置を使って他の試験片を吸い付けるため，接触とを報告した ．

面に直径 2 mm の穴を開けた．PVC 及びその他の試験片

17）

18）

との接触面の見かけの面積，すなわち，S1 の断面積はキーワード：接触帯電，摩擦帯電，電気二重層＊
地方独立行政法人大阪産業技術研究所（〒594-1157 大阪府和泉市あゆみ野 2-7-1）
Osaka Research Institute of Industrial Science andTechnology, 2-7-1, Ayumino, Izumi, Osaka 594-1157, Japan＊＊
信州大学学術研究院繊維学系（〒386-0018 長野県上田市常田 3-15-1）
Faculty of Textile Science and Technology, Shinshu
University, 3-15-1, Tokida, Ueda, Nagano 386-0018, Japan1hirai@tri-osaka.jp341.41 mm であった．S2 の接触面の直径は S1 よりも 72mm 程大きくした．接触面はすべて SiC 紙で磨いた後，粒径 1～5 μm 及び 5～11 μm の 2 種類の SiO2 粉末を混合した研磨剤を使って研磨した．試験片等はエタノールの中に浸して超音波洗浄機で洗浄して，取り出した後，室温で 1ヶ月以上手を触れずに乾燥させた．

2.2 試料調整及び実験室の温湿度
以下 2.3～2.6 の各測定における実験室の温湿度はいず

絶縁体同士の摩擦帯電及び接触帯電に関する実験的検討（平井 学ら）
れも 20℃，20％とし，測定を始める前に試験片は 24 時
間以上実験室内で調整した．

3

S1 に は PVC，S2 に は PMMA，N6，POM，ABS 及 び
PTFE をそれぞれ用いた．S1 及び S2 は接触させる前に除電

2.3 摩擦帯電符号の判定器を用いて除電し，ファラデーケージに使用しているもの

試験片は，試験者の左右それぞれの手に，後で持ち直とは別の静電界センサー（日本スタテック製 SV-77A ）をすことなく接触面同士を擦り合わせられるように持ち，用いて除電状態を確認した．次に，真空装置の Main valve

除電器（島津製作所製 STABRO-EX ）を使って除電した．

を少し開いて S1 の穴から空気を引き込んで S2 をゆっくり

試験片の除電が十分か否かを静電界センサー（日本スタ接触させた．摩擦は S2 を水平方向に往復させることによテック製 SV-77A ）のプローブに近づけて確認し，不十り行った．S2 の支持具を取り去った後，再び S2 を同様に分なときは除電と確認を繰り返した．試験片の接触面を除電した．続いて，真空容器内の圧力 Pv をピラニーゲー

静かに接触させて 1 回又は複数回摩擦して分離した．そジで確認した．Main valve を閉じて Leak valve 1 を開き，の後，接触面を上記の静電界センサーのプローブに近づ

真空容器内を大気圧に戻した．試料を，直接ファラデーケ

け，静電界センサーの針が振れる方向を判定した．得らージの内筒内に落下させ，電荷量 Q を測定した．ここで，れた結果から摩擦帯電列を求めた．

大気圧に戻しても S2 が落下しないときは，Leak valve 1 を

2.4 表面抵抗率測定

閉じて Pressure valve を開け，予め空気を入れて膨らませ

PVC を除く 5 つの試料に対して，高抵抗率計（三菱ておいた Balloon で真空容器内を加圧した．

化学アナリテック製 Hiresta-UP ）を用いて表面抵抗率測

なお，摩擦回数は S2 を 1往復させたときを 1回と数えた．

定を行った．プローブは URSS プローブを用い，印加電

2.6 接触帯電量測定

圧は 10 V，100 V，250 V，500 V 及び 1000 V のうち，値

接触帯電量測定は Fig.1 に示した摩擦帯電量測定装置の低いものから順番に使用した．最初に抵抗値が得られと同じものを用いた．接触帯電量測定の場合は，S1 とたときに表面抵抗率を計算して測定値とした．印加電圧

S2 を接触させるまでは同じであり，摩擦を行わないこと

がそれよりも大きい測定は行わなかった．

が摩擦帯電量測定と異なる．

なお，印加電圧が 1000 V でも抵抗値が得られなかったときの結果は不等号を用いて表した．

なお，ファラデーケージに使用した電位計の最小目盛
は 0.5 V，ファラデーケージの静電容量は 10.71 pF，フ2.5 摩擦帯電量測定

ァラデーケージの電極間電位差と電位計の読み値の換算

本研究で用いた摩擦帯電量測定装置の概念図を Fig.1 に

係数は 1.20 であったことから，本装置における測定感示す．試験片 1（S1）と試験片 2（S2）の下方には S2 が落

度は 4.46 pC と算出した．

下したときファラデーケージの内筒内に収まるようにファラデーケージを配置した．ファラデーケージの内筒と外筒3．結果と考察の電位差は非接触式の静電界センサー（電位計）を用い

3.1 摩擦帯電列の判定て測定した．

2.3 の手順によって PMMA，N6，POM，ABS，PTFE及び PVC について摩擦帯電符号を判定した結果を Tab.1に示す．静電界センサーの針が，正に振れたときはプラス（＋），負に振れたときはマイナス（－），どちらにも振れなかったときはゼロ（0）で表した．摩擦帯電符号の判定結果は，Sample の列に記載したものに対するものである．
例えば，PMMA と ABS の組み合わせは，それぞれ PMMA
表 1 摩擦帯電符号の判定結果
Table 1 The results of the sign of triboelectric charge.

図 1 摩擦帯電量及び接触帯電量測定装置の概要
Fig.1 Schematic illustration of the apparatus to measure theamount of triboelectric charge and contact electric charge.

Sample
PMMA
N6
POM
ABS
PVC
PTFE

PMMA
0
－
－
－
－

The partner for friction
POM
ABS
PVC
＋
＋
＋
0
0
0
－
＋
＋
－
－
＋
－
－
－
－
－
－
－

N6
＋

PTFE
＋
0
＋
＋
＋

静電気学会誌 第42巻 第 1 号（2018）4

表 2 表面抵抗率測定の結果
Table 2 Surface resistivity of
19）samples .
SampleSurface resistivity

PMMA

図 2 判定した摩擦帯電列
Fig.2 The obtained
triboelectric series.

19）

15

>10 Ω

十分に長いため測定が終了するまでの電荷緩和が無視できること，及び，N6 の緩和時間は短いため測定が終了するまでの電荷緩和が無視できないことである．また，これらを直列につないだときは緩和時間が長い方に支配13されるということである．2.3 の手順に示しているよう

15に，摩擦帯電列の判定をするとき，試料は測定者の手で

ABS

15

>10 Ω

直 接 持 っ て い る． つ ま り，PMMA，POM，ABS 及 び

PTFE

15

PTFE の表面で発生した摩擦電気は分離してから測定す

N6

4 × 10 Ω

POM

>10 Ω
>10 Ω

るまでにほとんど動くことができないので検出することが正に，ABS が負に帯電したことを表している．Tab.1 かができたが，N6 の表面で発生した摩擦電気は分離してらわかるように N6 以外の結果はプラス又はマイナスとなから測定するまでに N6 の表面から手を伝って人体に拡った．しかし，N6 はどの組合せに対してもゼロとなった．

散してしまったため検出できなかったと考えられる．

N6 の摩擦帯電列の順番は摩擦相手の判定結果によって決3.3 摩擦帯電量

めた．摩擦帯電列を決定した結果，Fig.2 のとおりになった．

2.5 の手順によって各試料の摩擦帯電量と摩擦回数の関

3.2 N6の特異性の原因係を求めた．得られた摩擦帯電量の結果を Fig.3～Fig.7 にTab.2 に各試験片の表面抵抗率の測定結果を示す ．N6

示す．なお，いずれも摩擦回数ゼロはプロットしていな以外の表面抵抗率は測定器の測定限界を超えたため，不い．この実験では摩擦を行った後，除電を行っているこ

等号を使って「 >10 Ω 」と表した．一方，N6 の表面抵とに注意してほしい．これは，各試料を摩擦するために抗率は 4 × 10 Ω であった．さらに，すべての試料に対支持具で保持するが，その支持具によって発生する試料

して体積抵抗率測定を試みたが，いずれも測定限界を超の接触帯電又は摩擦帯電による電荷を除去するために行えており，測定値を得ることができなかった．以上からっている．各図の対比を容易にするため，縦軸の上限及

19）

15

13

N6 の摩擦帯電符号の判定結果がすべてゼロとなった原び下限はそれぞれ 20 nC 及び -20 nC に固定し，正に帯因は表面抵抗率の低さによるものと推察される．

電したものには 7 nC～11 nC，負に帯電したものには -7

ところで，通常，体積抵抗率 ρv と誘電率 ε の積によ

nC～-11 nC に網掛けした．また，N6 については 12 nCって帯電緩和曲線の緩和時間 τv を算出するが，上記の～18 nC にも網掛けした．摩擦回数に対する結果のばら

結果は，表面抵抗率 ρs と帯電緩和曲線の緩和時間 τs のつきは大きいが，摩擦回数が多くなるにつれ，摩擦帯電関連性があることを示唆するものである．

量は収束する傾向がみられた．また，その帯電の符号はそこで，ρs と τs の換算係数を見積もる．本実験では摩摩擦帯電列の判定結果とも一致した．さらに，N6 の摩擦帯電符号の判定は手作業で行っているため，摩擦直後

擦帯電量が他の試料と比べて大きかった．このような結から計測器の針が触れるまでの時間にばらつきはある果が得られた理由を議論する．Fig.8 に，本研究の摩擦が，1～2 秒程度で判定している．それゆえ，仮に摩擦帯電量測定の結果に対する筆者らの見解を図示する．図直後から 2 秒後に帯電量が指数関数的に初期帯電量の中四角形で表したものは，
上側が Fig.1 における S（
1 PVC:

100 分の 1 まで減衰しているとすると，この換算係数は絶縁体），下側が Fig.1 における S2（ PMMA，N6，POM，

1.1 × 10 F と算出される．この値が湿度に依存する関ABS，PTFE ）である．Fig.8 a ）は，N6 のように S2 の導数値であるか物質定数であるか等を調べることができれ電性が良い場合を表している．3.2 で明らかになったよ

ば，さらに詳しいことがわかると思われるが，半減期がうに N6 については，他の試料と比べ導電性が良く，キ1 秒に満たない場合，JIS L 1094 の A 法や同 D 法に規定

ャリアがあると見なすことができる．したがって，試料されている試験機による測定は原理的に困難である．

が電界の作用を受けたとき，このキャリアが移動し，2-14

さて，以上の推察を確認するために N6 と PTFE の試

秒以内に定常状態へ達していると考えられる．本実験で験片の裏面同士を両面粘着テープで貼り合わせ PTFE 側

は，摩擦後，支持具を取り去ってから除電器を作用させだけを手に持って，PMMA，POM，ABS，及び PVC にるまでに 2 秒以上要するため，除電器を作用させる直前

対して N6 の摩擦帯電符号を確認した．その結果，N6 表

は Fig.8 a ）の左の図に示したような電荷分布であると面の摩擦帯電符号は PMMA が相手のときは正，それ以考えられる．ただし，支持具による接触帯電又は摩擦帯

外が相手のときは負となった．この結果は Fig.2 と一致

電による電荷は Fig.8 a ）に図示していない．摩擦によする．この確認実験で重要な点は，PTFE の緩和時間はって S2 表面に現れた電荷は移動可能である．摩擦相手

絶縁体同士の摩擦帯電及び接触帯電に関する実験的検討（平井 学ら）

図 3 PMMA の摩擦帯電量
Fig.3 Triboelectric charge of PMMA.

図 6 ABS の摩擦帯電量
Fig.6 Triboelectric charge of ABS.

図 4 N6 の摩擦帯電量
Fig.4 Triboelectric charge of N6.

図 7 PTFE の摩擦帯電量
Fig.7 Triboelectric charge of PTFE.

5

ABS，PTFE のように S2 の絶縁性が良い場合を表している．Fig.8 b ）の左の図は摩擦直後の電荷分布を表している．ただし，支持具による接触帯電又は摩擦帯電による電荷は Fig.8 b ）に図示していない．摩擦によって S2 表面に現れた電荷は，除電器を作用させるまでの間にほとんど移動することができない．摩擦相手の S1 表面に生成された逆符号の電荷との距離が大きいため，電界が接触界面の外側にも形成される．このとき，S1 と S2 の摩擦面の電荷の総和はゼロであり，電荷量保存則が成立している．ここで，除電器を使用して S2 の露出面を除電
図 5 POM の摩擦帯電量
Fig.5 Triboelectric charge of POM.

したとすると，接触面内に残されている電荷だけでは吊り合いが保てない．そのため，その状態を静電界センサ
ーで確認すれば，帯電していると判断してしまう．しかの S1 表面に生成された逆符号の電荷による引力作用にし，本実験では静電界センサーでは検知できない状態まよって S2 表面の電荷は S1 直下に移動していることを表

で除電器を作用させている．したがって，除電が完了ししている．これは Helmholtz が提唱した電気二重層の概たときには，S1 の露出面を帯電させて電気的に吊り合う

念と全く同じである ．この場合，除電器を使って除電と考えられる．ここで重要な点は，除電器は空気中の分しても精々接触面の隅の部分しか除去することができな

子をイオン化し，正負の電荷を生成するが，その駆動力

い（ Fig.8 a ）の中央の図）．Fig.8 b ）は，PMMA，POM，は摩擦電気がその周囲に形成した電界である．この実験2）静電気学会誌 第42巻 第 1 号（2018）6

図 8 摩擦帯電量測定の結果から予想される実験の概要．a ）S2の表面の導電性が良い場合．b ）S2 の表面の絶縁性が良い場合
Fig.8 Schematic illustration of the measurements on thetriboelectrification expected by the results. a ）When the
conductivity in the surface of S 2 is good. b ）When theinsulation in the surface of S2 is good.

図 9 ABS 及び N6 の接触帯電量測定結果のヒストグラム
Fig.9 Histogram of the results on the contact electrification for
ABS and N6.

では静電界センサーで検知できなくなったところで除電によって，ABS 及び N6 ともに正の接触帯電量が期待さ器の使用を止めているので，S1 と S2 との間だけで電束れるはずである．電荷緩和モデル

線が閉じていなければならない．すなわち，除電器を使される電気二重層の電荷密度は分離後の電荷密度よりも用した後でも電荷量保存則が成り立たなければならな大きいとしている．分離後の電荷密度の変化は気中放電

い．このとき，Fig.8 a ）と Fig.8 b ）で摩擦帯電量に差がによって生じるとしている．この機構を Fig.9 の結果に生じる．このようにして，摩擦帯電量は S2 の絶縁性が適用することを考える．2.1 で説明したように，本研究良い場合よりも導電性が良い場合の方が多くなり得るとで用いた試料の表面は研磨によって平面を形成している考えられる．したがって，絶縁性が良い場合でも，摩擦ため，μm サイズの凹凸が存在する．したがって，実際

後，電荷緩和時定数より十分長い時間保持したとすれば，の接触面積は S1 の断面積の 341.41 mm よりもはるかに

S2 上 に 露 出 し て い る 電 荷 は S1 と S2 の 界 面 に 移 動 し，

小さいと考えるべきである．既に報告したように，S1 とFig.8 a ）と同様な電気二重層を形成すると考えられる．

S2 の接触面の最小値は，圧縮強さから見積もると，およ

なお，本実験の摩擦帯電電荷密度は μC/m の大きさであそ 0.4 mm となる ．平行平板電極間における空気の絶り，空気の絶縁限界に近い．

縁限界とされる 27 μC/m とこの面積の積から接触帯電

2では接触時に形成

12, 13）

2

2

18）

2

3.4 接触帯電量

量の下限値を 10.8 pC と見積もることができる．つまり，

ABS 及び N6 の接触帯電量測定結果のヒストグラムを

Fig.9 のヒストグラムの最頻値も 10.8 pC よりも大きな値

Fig.9 に 示 す．S2 として ABS を 用 い た 6 つの 測 定 値 はであると予想される．しかし，この予想と実験結果は一-16.1 pC から 0.0 pC という結果となった．また，S2 とし致しない．すなわち，接触させただけで電荷が一方からて N6 を用いた 17 つの測定値は -13.4 pC から 89.2 pC と他方にエネルギー準位の差の分だけ電荷が移動する機構

いう結果となった．

があるとすれば，Fig.2 の摩擦帯電列の判定結果と一致

このように接触帯電量測定では Fig.2 に示した摩擦帯するはずであり，Fig.9 のような逆符号の結果が得られ電列の判定結果と一致しない結果が多い．この原因は除るはずがない．したがって，この機構を前提とする絶縁電状態のばらつきであり，接触帯電量が測定感度よりも体の接触帯電モデル

小さいものと考えなければ説明がつかない．以下にそのと言える．仮に S1 と S2 の接触時に僅かな摩擦があった

詳細な議論を示す．

としてもその帯電量への寄与は測定感度よりも小さいも15）に対しても否定的な結果である

本実験における除電器による除電は接触面内の電荷をのであったと考えられる．なお，接触時に形成される電

除電することができない．なぜなら，そうでなければ，

気二重層の電荷ペアはエネルギー的に安定しているた

すなわち，その部分を除電できるとすると，Fig.3～Fig.7

め，この時点では電荷緩和時定数を考慮する必要がないの摩擦帯電量の測定結果と矛盾するからである．また，と言える．分離後は電荷ペアが壊れ，同符号の電荷によFig.9 からわかるようにゼロ又は負の帯電量という結果

る反発が生じるため，電荷緩和を考える必要がある．こも有意な頻度がある．さらに，S1 と S2 の接触時に摩擦のとき，空気の絶縁限界を超えるような電界が局所的にがあったとすれば，摩擦帯電符号の判定結果（ Fig.2）も発生すれば，S1 と S2 との間での電荷緩和現象となるで

絶縁体同士の摩擦帯電及び接触帯電に関する実験的検討（平井 学ら）

7

あろう．また，そのような電界が形成されなければ，S1

電荷密度は空気の絶縁限界に近いレベルであり，接触分と S2 のそれぞれに属する電荷は電荷緩和時定数によって離によって非常に大きな電荷量が得られた実験であるとそれぞれの物質内で最もエネルギー的に安定な電荷分布理解できる．また，Sakaguchi らの報告となるように移動していくと考えられる．

ールミルから ESR 試料管の中に粉砕した粉末試料を投入

ところで，Baytekin らは，絶縁体同士の接触により表面がモザイク状に帯電すると報告しているでは，ガラスボ21）

している．このとき，ガラスボールミルと粉末試料の摩．また，擦分離によって発生する摩擦電気に対する配慮が見られ

Sakaguchi らは，摩擦帯電は摩擦界面に存在する高分子

ない．すなわち，Sakaguchi らの実験方法では ESR 試料

主鎖の切断に伴う現象と捉え，真空中暗中 77 K での高管の中に粉砕した粉末試料を投入するとき，粉末試料は分子の機械的破壊を行っている．この機械的破壊に

摩擦電気を伴って移動する．つまり，ガラスボールミル

より高分子主鎖が切断することによりメカノラジカル，

も含めなければ電荷量保存則が成立しない．Sakaguchi ら

メカノアニオン，メカノカチオンが生成し表面に捕捉さの主張を裏付けるためには，ESR 測定によって，見かけれるとしている．さらに，摩擦帯電は，メカノラジカル，のアニオンと見かけのカチオン，双方の量を求める必要

メカノアニオン，メカノラジカルの間の電子移動の結果がある．これらの差分を摩擦電気として取り扱うことにであり，その電荷移動反応はメカノラジカル，メカノア

よって正味のメカノアニオンとメカノカチオンの量は算

ニオン，メカノカチオンの捕捉エネルギーレベルに依存

出されなければならない．また，Sakaguchi らの HOMO

し，この仮説にしたがえば摩擦帯電列の並び及び相手にと LUMO を用いた摩擦帯電列についての仮説は Frenkel

より符号が変わることも説明できるとしている ．しかの固有ポテンシャル（この固有ポテンシャルは仕事関数

し，これらの報告には疑問が残されている．Baytekin らと同等である）の考え方の報告

では，ケルビン力顕微鏡による測定で得られ性を取り入れているところが優れている．Frenkel はラた表面電荷密度は μC/cm であるが，ファラデーカップ

ザフォードの原子模型から出発し，原子そのものが電気で測定したときは nC/cm という矛盾があり，十分に説二重層を内在しているという独自の電気二重層の概念を明されていない．Baytekin らの報告には 4 μm × 4 μm の形成している．これは Helmholtz が提唱した電気二重層領域に正と負に帯電した部分がほぼ同程度の面積で表さとは異なるものである．Sakaguchi らの仮説では，高分れている．それゆえ，この面積内の電束線はほぼこの領子主鎖の切断によって発生したメカノアニオンやメカノ

域内で閉じてしまうと考えられる．つまり，電束線はほ

カチオンは Helmholtz が提唱した電気二重層を形成して

とんど外部に出ないと考えられる．電束線が外部の電荷いないと考えられる．メカノアニオンやメカノカチオンと結びつき，ファラデーカップで測定したとき nC/cm

が電気二重層を形成するためにはこれら以外の電気的なとなるためには，この領域のモザイク状の正負の電荷の力 に よ っ て 分 離 さ れ る 必 要 が あ る と 考 え ら れ る．

バランスが 1000 分の 1 程度ずれていればその説明がつ

Sakaguchi らはメカノアニオンやメカノカチオンが接触

く．しかし，それでもなおケルビン顕微鏡によって得ら相手との間で移動していると主張している ．その根拠

2

れた表面電荷密度が μC/cm であることは，空気の絶縁

は Baytekin らが報告したモザイク状の帯電及び分離後の限界を十分に超えているという問題がある．近接する正試料表面に摩擦相手に由来するものと考えざるを得ない

負の電荷で表されるモザイク状の領域間で放電による電組成を確認したことである ．しかし，上記の疑問によ荷緩和が起こるはずである．まして，ケルビン力顕微鏡ってその説明では論理的な飛躍があると思われる．

20）

21, 22）

23）

20）

2

2

2

16）

と比べれば，現在の電子物

2）

23）

20）

のカンチレバーの先端は 20 nm 以下の曲率半径を持って筆者らの実験から直ちに接触帯電や摩擦帯電の機構をいるため，測定中に各帯電領域とカンチレバーとの間で推測することは困難であるが，非常に興味のあるところ放電が発生し，電荷緩和が生じるはずである．したがっである．Harper は金属と半導体の接触帯電の機構をトンて，ケルビン力顕微鏡による測定で得られた表面電荷密ネル効果によって説明している

度は μC/cm という算定は信用できない．そのため，筆体にも適用できるとした場合，絶縁体同士を接触後，緩者らは，上記のモザイク状の正負の電荷バランスが和時間と比べて十分に時間が経てば，摩擦帯電量と同等

1000 分の 1 程度ずれているという議論も無意味だと考えの接触帯電量，すなわち，筆者らの実験方法では nC のている．むしろ筆者らは Baytekin らが示した表面のモザ

大きさの電荷量が得られるのではないかと思われる．しイクパターンは，電荷が正だけ又は負だけでその濃淡をかし，本研究の接触帯電量測定方法を用いて接触させて表している可能性もあると考えている．なお，ファラデから 1 週間後に分離して電荷量測定を実施しても，pC

ーカップで測定したときに得られた nC/cm という表面の大きさの電荷量しか得られなかった．つまり，絶縁体

22．同様のことを絶縁

3, 11）

静電気学会誌 第42巻 第 1 号（2018）8

同士の接触帯電においてトンネル効果を支持するような結果は得られない．また，接触電位差の大きさが駆動力を大きくするという考え方も事実と反すると考えられる．例えば，空気中に絶縁体の固体が置かれているとする．空気は絶縁体であり，空気分子は絶縁体の固体に対して衝突を繰り返す．また，そのイオン化エネルギーは一般的に絶縁体の固体よりも大きい．それゆえ，空気と絶縁体の固体との接触電位差は大きく，絶縁体の固体も
空気分子も帯電すると考えられる．しかし，筆者らが静電界センサーを用いて実験室周囲の絶縁体の固体を調べても帯電しているものは見当たらない．ゆえに，筆者らは接触電位差を駆動力とする電荷の移動機構についても

4） J. W. Peterson: Contact Charging between Nonconductors andMetal. J. Appl. Phys., 25（1954）907
5） M. Owen: On frictional electricity. Phil. Mag. Series 6, 17,（1909）457-465
6） W. Morris-Jones: Frictional electricity on insulators andmetals. Phil. Mag., 29（1915）261-274
7） N.R. French: Measurements in Frictional Electricity. Phys.
Rev., 9（1917）151- 163
8） W.A. Macky: On Quantitative Measurements in Frictional
Electricity. Proc. Roy. Soc. A, 119（1928）107-132
9） W. Kluge: Über die Erregung von Reibungselektrizität
zwischen Metallen und Nichtleitern in Abhängigkeit vom
Druck des umgebenden Gases sowie vom Entgasungszustande
des Metalles. Ann. Phys., 1（1929）1-39

再度議論しなければならないと考えている．一方，筆者

10）N. Masui and Y. Murata: Electrification of Polymer Particles

らは接触時，あるいは，摩擦時に生じる物体のひずみエby Impact on a Metal Plate. Jpn. J. Appl. Phys., 22（1983）

ネルギーがフェルミ面近傍のエネルギー準位の電子を励1057

起し，物質間の移動を可能にしているのではないかと推測している．しかし，このような機構を考える場合，接触帯電だけではなく，ショットキー効果，ゼーベック効果など接触電位差と関係する他の物理現象も矛盾なく説
明できなければならないであろう．

11） W. R. Harper: Contact electrification of semiconductors.
British J. Appl. Phys., 11（1960）324-331
12）T. Matsuyama and H. Yamamoto: Charge-relaxation process
dominates contact charging of a particle in atmosphericcondition: II. The general model. J. Phys. D: Appl. Phys., 30（1997）2170-2175
13）T. Matsuyama et al.: Impact charging experiments with single

4．結論
絶縁体同士の摩擦帯電量及び接触帯電量を測定するた
めに，真空吸着法と除電器を利用した．摩擦帯電量測定

particles of hundred micrometre size. Powder Technol., 135136（2003）14-22
14）A.G. Bailey: The charging of insulator surfaces. J.
Electrostatics, 51-52（2001）82-90

では，摩擦回数が多くなるにつれ，摩擦帯電量は収束す

15）M.D. Hogue et al.: Insulator–insulator contact charging and its

る傾向が見られた．収束値の帯電符号は摩擦帯電列と一relationship to atmospheric pressure. J. Electrostatics, 61

致した．接触帯電量測定では，得られた接触帯電量は測定感度よりも小さいものであり，除電状態のばらつきであると結論付けた．摩擦帯電列，摩擦帯電量及び接触帯
電量の各測定結果から絶縁体同士の場合，接触させただ
けで電荷が一方から他方にエネルギー準位の差の分だけ電荷が移動する機構はないと考えられる．

（2004）259-268
16）J. Frenkel: On the surface electric double-layer of solid andliquid bodies. Phil. Mag., 33（1917）297- 32217）平井学，木村裕和 : 絶縁体同士の接触帯電量の計測．

静電気学会春季講演会論文集，p.103，静電気学会（2014）18）平井 学，
木村裕和 : 絶縁体同士の接触帯電量の計測（第2 報）．静電気学会春季講演会論文集，p.17，静電気学会（2015）

謝辞
本研究の一部は JSPS 科研費 24700797 の助成を受けたものである．ここに謝意を表する．
参考文献
1） E . P e r u c c a : E i n g r ü n d l i c h e s E x p e r i m e n t ü b e r d i e
Kontakttheorie der Triboelektrizität. — Voltaeffekt erster Art
und elektrische Doppelschichten beim Kontakt. Z. Phys., 51（1928）268
2） H. Helmholtz: Studien über electrische Grenzschichten. Ann.
Phys., 7（1879）337
3） W. R. Harper: The Volta effect as a cause of static
electrification. Proc. Roy. Soc. A., 205（1951）83

19）平井

学 : 身近な静電気現象と帯電性測定 . 加工技術

=Textile processing technology, 52（2017）372
20）H.T. Baytekin et al.: The Mosaic of Surface Charge in Contact
Electrification. Science, 333（2011）308
21）M. Sakaguchi et al.: Mechanoanions Produced by Mechanical
Fracture of Bacterial Cellulose: Ionic Nature of Glycosidic
Linkage and Electrostatic Charging. J. Phys. Chem. A, 116（2012）9872
22）M. Sakaguchi et al.: The correlation between the ionic degreeof covalent bond comprising polymer main chain and the ionicyield due to mechanical fracture. Polymer, 55（2014）1917
23）M. Sakaguchi et al.: Contact electrification of polymers due toelectron transfer among mechano anions, mechano cations andmechano radicals. J. Electrostatics, 72（2014）412