J. Inst. Electrostat. Jpn.

静電気学会誌，36, 6 (2012) 344-349

ブロータイプイオナイザを用いた帯電対象物へのイオン搬送分布に関する研究
深田 佳成*,**,1，小根澤 和義**，小辻 一雄**，鹿野 一郎*，八塚 京子*（2012 年 9 月 11 日受付；2012 年 10 月 29 日受理）

A Study on the Transferred Current Distribution onto the Electrified Object
from a Blow-type Ionizer
Yoshinari FUKADA,*,**,1 Kazuyoshi ONEZAWA,** Kazuo KOTSUJI,**
Ichiro KANO* and Kyoko YATSUZUKA*(Received September 11, 2012; Accepted October 29, 2012 )Ionizers utilizing corona discharge are widely used in order to eliminate the electrostatic charge. The ions generated by
AC discharge are often carried through a pipe toward the vicinity of the object by the jet flow. It is well known that theion density decreases with the increase of the traveling distance along the pipe. In the last report, we developed an
ionizer which was directly connected to Faraday Cage, in order to estimate the ion density blown from the blow-typeionizer, and revealed that the decreasing of ion density obeys the hyperbolic law. In the present report, the distributionsof the jet flow and of the ion densities are reported. Comparing the spread of the jet flow and that of the ion density,
different behaviors are observed: the transferred ions spread wider than the jet flow does because of repulsive force
generated by Coulomb force. Furthermore, the relaxation of the surface potential on both the electrified metal and theelectrified insulating material was measured by the modified CPM. It is proved that the neutralization has not been
done at the same time for the insulating electrified plate, thus a current CPM would be merely effective for the metal
like object.
1.

はじめに

評価方法はチャージドプレートモニタ（CPM）を用いた方法

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である3)．しかし，高周波交流高電圧を用いたイオナイザの

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評価に CPM を用いる場合，検出電極がオープンになってい知られている．最近，電子機器の微細化が進み，微小帯電電

るため，電源電圧等による誘導電流の影響を受けることや周位でも装置に重大な影響を及ぼすようになってきた．この除波数特性が低いために正確な評価が行えない．我々は交流コ電に用いるイオナイザの多くはコロナ放電でイオンを発生し，ロナ放電方式イオナイザの新しい評価法の確立を目指し，圧空気流によって目的対象物まで搬送する．コロナ放電による縮空気を用いたブロータイプイオナイザを用いて直流コロナ

イオン発生には直流方式と交流方式があるが，それぞれに特放電方式，交流コロナ放電方式それぞれで実験を行ってきて質があり，目的によって使い分けられている．高周波交流高いる．我々はイオナイザにおける除電メカニズムを明らかに電圧を用いたイオナイザは除電性能が良いため広く用いられするため，検討項目を図1のように四つに大別した．イオン発

1,2）ている ．その装置では，発生した正・負両極性イオンが対生，ノズル内イオン搬送，大気中イオン搬送，帯電対象物の象物に到来して除電を行う．このイオナイザの最も一般的な除電の四つである．まず，我々はイオナイザの放電部でのイオン発生特性，
ノズル内でのイオン搬送特性を研究してきた．

キーワード：イオナイザ，ブロータイプ，コロナ放電，
イオン搬送，絶縁物除電* 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

そして，ファラデーケージを用いてイオン搬送量を測定し4),
Ion generation Transferring ions Transferring ionsof the ionizer
in the nozzle blown out from the outlet
into the atmosphere

The charge
eliminating characteristics
on the object surface

DTY-ELK01
ALARM CHECK H.V. POWER

図 1 除電メカニズム検討 4 項目
Fig.1 Eliminating electrostatic mechanism examination 4 items.

345(39)

ブロータイプイオナイザを用いた帯電対象物へのイオン搬送分布に関する研究（深田佳成ら）
ファラデーケージの内部電極をリング型にし,双曲線緩和法
5)則を用いることでイオン搬送量を推定する方法を確立した ．

Signal outputlElectrode

Inside ring container

Air inAir out

これによりイオン発生部ではイオン発生量となる放電電流の大きさがイオン搬送量にあまり影響がないこと，交流コロナ放電方式ではイオン発生期間が重要であることを明らかにした．
本論文では上述したブロータイプイオナイザを用いて，イDHigh
voltage

Ionizer

し，そのイオンを帯電した金属及び絶縁物平板に搬送することでどのように帯電対象物の電位が減衰するか実験によってOutside container

Insulator

Faraday cage

オナイザから吹出されたエアブローとイオンの広がりを測定

図 2 ファラデーケージ接続イオナイザ
Fig.2 The ionizer connecting Faraday Cage.

明らかにしたので報告する．
Anemometer

2.

実験装置及び実験方法

今回用いた実験装置の概略を図2-4 に示す．図2 に示すよ

Ionizer

Air inAir out

うに放電部にはタングステン製の針状放電電極を用い，放電部からの流路は内径 D をφ5 mm とし，イオナイザには直流
高電圧±4 kV もしくは交流高電圧 8 kVpp を正弦波交流，電

50mm

High
voltage

Faraday cagexz

源周波数 1，10，100，1,000 Hz で印加し，印加エア流量を
30-200 L/min とした．また，イオナイザには同じ流路内径をPlate(a) Experiment of air velocity

もつリング型ファラデーケージを接続し，イオナイザ内のエ
ア流速・吹出しイオン量の推定に用いた5)．リング型内部電極と針状放電電極先端の間の距離 l は40 mm とした．リング

Probe
Air inIonizer型内部電極はオシロスコープと接続し，得られた電圧と測定部のインピーダンス（1 MΩ±2%）から電流換算した．このV

Air out
φ3mm
5mm 50mmHigh
voltage

Faraday cage

10MΩ

x

電流をイオン電流と呼ぶ．

z

大気中エア流速測定では図3(a)のようにカノマックス製
Model1570，プローブ0964-01を用いて測定した．エア流速は時間変動したため，各点ごとに1分間測定を行い，その平均値(b) Experiment of ion current
図 3 大気中イオン・空気流れ測定装置
Fig.3 An ion, air flow measuring equipment in the atmosphere.

を測定値とした．
イオン搬送分布の測定では図3(b)のように，φ3×5 mm で④20mm

先端を R1.5に丸めた電極をプローブとし，配線は絶縁物で覆いイオンの捕集を防いだ．プローブには10 MΩ の抵抗を接続

Air inIonizer

20mm

Air out

し，その両端の電圧を測定することでイオン捕集量を換算する．また，測定電極は□150 mm の金属板に設置し，先端の測定プローブは金属平板から50 mm の高さにある．エア流速測定の結果から平板上のエア流れによる影響はないことを確認している6)．大気中エア流速，イオン搬送分布のそれぞれの測定でのイオナイザは図 2 の装置を用い，直流高電圧±420mm

Faraday cage

x
z

②
①

5mm

High
voltage③

Surfacevoltmeter

Metal
or Insulator

図 4 帯電対象物除電測定装置
Fig.4 Eliminating electrostatic measuring equipment onto the electrified
object.

kV を印加し，印加エア流量を30-200 L/min とした．
帯電対象物の除電性能測定では図4のように測定板に表面電位計は 1 台を測定板の中心に設置し，そこから20 mm□150 mm の金属板もしくはアクリル板を用い，もう1枚のの間隔で計 4 台設置し表面電位測定を行った．中心の表面電□150 mm の金属板と5 mm 間隔で絶縁して設置した．測定板

位計を No. 1とし，外にいくに従い，No. 2，3，4と番号付け

3)が金属の場合は CPM と同様の構成となる ．ただし，2 枚のした．イオナイザは図 2 の装置を用い，交流高電圧 8 kVpp

平行金属平板での静電容量は約 40 pF である．測定板の電位を正弦波交流，電源周波数 1，10，100，1,000 Hz で印加した．

は非接触の表面電位計（コガネイ製 DTY-EPS）で測定した．

すべての測定はブロータイプイオナイザに印加エア流量 50

測定範囲は表面電位計設置上面の測定板上のφ20 mm である．

L/min を供給し，定常状態にしてから測定を開始し，測定開346(40)

静電気学会誌

第 36 巻

第 6 号 (2012)

始 0.5 秒後にイオナイザの放電電極に電圧を印加した．金属

180
160

7)

トロンの放電電極に±9 kV，有孔電極に±2 kV の電圧をそれぞれ印加し，十分な時間をかけてコロナ帯電を行った．
3.

イオナイザ内部特性

Air velocity (m/s)

板・アクリル板の帯電にはスコロトロンを用いた ．スコロ

140
120
100
80
60
40

図 5 に図 2 の装置を用いてイオンの移動速度から推定し

20
0

6)

たイオナイザ内のエア流速を示す ．図より印加エア流量の0増加に伴いエア流速も増加した．流路内部での圧力変化も考慮すると，平均流速は印加エア流量の平方にゆるやかに比例する．また，吹出しイオン量はパイプ内部でのイオン搬送量

正・負イオンの電荷密度は比例して増加した．また，図より

Ion density (μC/m3)

和法則を用いて推定できる ．吹出しイオン量とはファラデー

で示している．これも印加エア流量の増加に伴い搬送された

Positive

120

Negative

100
80
60
40
20

大きいのがわかる．これは正イオンの方が負イオンより移動00

度が小さいためである．

イオナイザ外部特性

1.2

ア流速 u・イオン電流 I を無次元化したものを示す．イオン

1

0.6
0.4
Velocity

0.2
0

づくに従い I0が減少した．プローブをノズルに近づけた際に0

放電部内圧が増加したため，I0が減少したと考えられる．図る．ただし，エア流速は z/D＝3まで減少がない．この領域ではポテンシャルコアが形成されていると考えられる8)．つま

Ion

0.4

0

がり方向（x 軸）のエア流速・イオン電流を無次元化したも

30

0.6

どのクーロン力，またイオンとプローブ電極の間で形成され

図 8 に図 3(a),(b)の方法で測定した z/D＝6-30 でのエアの広

25

0.8

0.2

の減衰よりも小さくなったと考えられる．

201の拡散速度は数 m/s であることから9)，イオン同士の反発なる電界が影響してノズル軸上のイオン電流の減衰はエア流速

15

1.2

u /u0, I/I0

衰に比べなだらかである．ノズル吹出し口付近のイオン同士

10

図 7 無次元化エア流速・イオン電流特性（z 軸上）
Fig.7 Nondimensional air velocity and ion current outside theionizer on z-axis.

いポテンシャルコアが存在し，そして流れが進むにつれて外ことを示している．図よりイオン電流の減衰はエア流速の減

5z/Dり，ノズル出口から流れ出る噴流には平均速度が全く衰えな部からの乱れが次第に浸透してポテンシャルコアがなくなる

200

0.8

＝4の位置での値とした．z/D＜4ではプローブがノズルに近よりノズルから離れるに従いエア流速・イオン電流は減少す

150

u/u0, I/I0

はノズル直径を示す．u0 は吹出し口でのエア流速，I0 は z/D

100
Air flow rate (L/min)Ion

電流は正・負イオンによる差はみられなかったため平均値で示した．ただし，z はイオナイザ吹出し口とそれぞれのプロ

50

図 6 イオナイザから吹き出される推定イオン密度Fig.6 Estimated blown ion density outside the ionizer.

図7に図3(a), (b) の方法で測定したノズル軸上（z 軸）のエーブとの距離，u0 は最大エア流速，I0 は最大イオン電流，D

200

140

正イオンの電荷密度の方が負イオンの電荷密度より5.5-7.7％

4.

150

160

5)

度で換算した結果を図 6 に示す．ただし，負イオンは絶対値

100
Air flow rate (L/min)

図 5 イオナイザ内部平均エア流速
Fig.5 Average air velocity inside the ionizer.

の減衰が双曲線緩和法則と一致することから，その双曲線緩ケージ後方端で大気中に吹き出されたイオン量をいう．電荷密50Velocity
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

x /b

図 8 無次元化エア流速・イオン電流特性（x 軸）
Fig.8 Nondimensional air velocity and ion current outside theionizer on x-axis.

347()ブロータイプイオナイザを用いた帯電対象物へのイオン搬送分布に関する研究（深田佳成ら）
2500

流，b はエア流速とイオン電流それぞれの半値幅を示す．図2000
Plate voltage (V)のを示す．ただし，u0，I0 は中心軸上のエア流速・イオン電
より中心から離れるに従いエア流速・イオン電流は減少する．
エア流速とイオン電流の減衰特性は一致を示さず，イオン電流の方が広がりは大きい．これもイオンの電界による拡散の影響が考えられる．これらよりイオンは空気流に大きく影響

1500

①～④

1000
500
0

を受けながらもイオン同士の拡散を加えて搬送されているこ-500とが考えられる．

0

5.
5.1

5

10
Time (s)

15

20

15

20

(a) f =1 Hz, z =50 mm, Q = 50 L/min.

帯電対象物除電特性

2500

金属対象物の除電特性

2000
Plate voltage (V)

図 9 に図 4 の方法で測定した対象物を金属板としたときの金属板の帯電電位の時間変化の一例を示す．なお，図中の①④は図 4 で示した表面電位計の番号である．ただし，f は電源周波数，z はイオナイザ吹出し口と金属板との距離，Q は
印加エア流量を示す．図 9 よりイオナイザの電源電圧印加開

①～④

1500
1000
500
0

始と金属板電位減衰開始にほぼ差はない．これは高速気流に-500

よって搬送されたイオンが到達するのに必要な時間が十分に

0

5

10
Time (s)短いからである．金属板の電位は表面電位計の位置による差はなく一致している．
図 9 (a)のように電源周波数 1 Hz の場合(b) f = 10 Hz, z = 50 mm, Q = 50 L/min.

は電位振幅が大きく，金属板の電位減衰後も変動した．電源

図 9 金属板除電特性
Fig. 9 Dependency of charge decay of metal plate.

周波数 10 Hz の場合は図 9 (b)のように金属板の電位振幅は見6も大きかったことが要因と考えられる．静電容量を小さくす

5

れば電源周波数 10 Hz でも金属板の電位振幅が見られると考えられる．
図 10 にイオナイザの印加エア流量を変えた場合の除電時間の結果を示す．ただし，除電時間は 1,000 V から 100 V に

Decay time (s)られなかった．これは金属板の静電容量が CPM と比較して432減衰するまでの時間とする．図より印加エア流量の増加に伴

1

い，除電時間が短くなることがわかる．これは図 6 からも分00かるように印加エア流量の増加に伴い，イオナイザから吹出されるイオン量も増加することによると考えられる．印加エア流量 50 L/min では正帯電の除電時間が負帯電の除電時間にPositive
Negative

20

40

60
80
100
Air flow rate (L/min)

120

140

160

図 10 印加エア流量-除電時間特性
Fig.10 Dependency of charge decay on air flow rate.

比べ長くなったが，150 L/min では正帯電の除電時間の方が短くなった．これは印加エア流量の増加に伴い放電部のエア圧

7

力が増加し，正の放電発生期間が負の放電発生期間に比べ短64)

図11にイオナイザの電源周波数，搬送距離を変えた場合の除電時間の結果を示す．印加エア流量は50 L/min とした．ただし，電源周波数 1 Hz の場合のみ，測定ごとの差が大きく，
一端 100 V 以下になった後に 100 V 以上に電位が振動したため測定不能であった．図より，電源周波数の増加に伴い除電時間が短くなることがわかる．これは清水ら1) によって報告された結果と同様の結果である．また，搬送距離を長くす
ると除電時間も長くなった．これらはイオナイザから大気中

Decay time (s)くなったためであると考えられる ．

P_150mm
N_150mm5
4
3

N_50mm2

P_50mm1
0
1

10Frequency (Hz)100

図 11 電源周波数-除電時間特性（金属板）
Fig.11 Dependency of charge decay on frequency.

1000

348(4)

静電気学会誌

第 36 巻

第 6 号 (2012)
1.2

大気中でイオンの分布が拡散して広がるためであると考えら

1

れる．各電源周波数において正帯電の除電時間が負帯電の除0.8

電時間に比べ長くなる傾向を示した．つまり，負帯電の除電

0.6

時間が短いということは正のイオン搬送量の方が負のイオン

V /V 0に吹き出された後もイオナイザのノズルに捕集されることや，搬送量より多いということを示すことから図6の結果と同じ

④

0.4
0.2

傾向を示す．
5.2

③

②

0

絶縁対象物の除電特性

①

-0.2

続いて除電対象物を金属板からアクリル板に変更して同様の実験を行った．アクリル板の帯電にもスコロトロンを用い

0

5

10
Time (s)

15

20

10
Time (s)

15

20

10
Time (s)

15

20

15

20

(a) f = 1 Hz, z = 50 mm, Q = 50 L/min.

た．絶縁物の場合は 図 12 のように 200 V 弱の初期帯電電位
1.2計の番号である．そこで帯電電位をそれぞれの初期電位 V01で無次元化して示したものを図 13 に示す．
図より表面電位計

0.8

No. 1，2 の電位振幅に大きな差はないが，No. 3，4 と外側に0.6

いくに従い電位減衰開始に遅れが生じ，2 次遅れのような減V /V 0の差がみられた．なお，図中の①-④は図 4 で示した表面電位

③
④

0.4

衰特性を示した．また，図の No.1, 2 の減衰曲線より 1 秒以内

0.2

で V/V0 = 1 から V/V0 = 0.7 程度にまで電位が急激に減衰し0ているのがわかる．これはイオンの流れが図 8 に示すように

-0.2

①,②

0

噴流内のイオン分布の広がりが少ない直進的な流れであり，

5(b) f = 10 Hz, z = 50 mm, Q = 50 L/min.

アクリル板に衝突後壁面を沿うように流れていくため，吹出されたイオンの大半が最初に平板中心の電位減衰に用いられたのが原因であると考えられる．加えて，中心部のみ急激に1.2

電荷がなくなったことにより，アクリル板上での表面電荷分1

布が変化し電荷の移動が発生したことも考えられる．また，
V /V 0電位減衰後の V/V0 = 0.1 以下への到達時間は No .1-4 で差がほぼないことがわかる．これより対象物が□150 mm 程度の平板であれば，吹出口φ5 mm のブロータイプでも平面全体

④

0.6
0.4

②

0.2

を同時に除電完了できるといえる．

①

0

図 9(a), (b) と図 13(a), (b) は対象の平板材質が金属かアクリルか以外は実験条件が同じである．図より電源周波数 1 Hz
ではアクリル板の方が正負イオンによる電位振幅が大きいこ

-0.2
0

5

(c) f = 100 Hz, z = 50 mm, Q = 50 L/min.

2500

1.2

2000

③

1500

1

1000
500

③

0.8

④
V /V 0

Plate voltage (V)

③

0.8

①,②

0.6

④

0.4

②

0.2

0

①

0

-500
0

5

10
Time (s)15

図 12 絶縁板除電特性
f = 10 Hz, z = 50 mm, Q = 50 L/min.
Fig.12 Dependency of charge decay of insulator plate.
f = 10 Hz, z = 50 mm, Q = 50 L/min.

20

-0.2
0

5

10
Time (s)(d) f = 1,000 Hz, z = 50 mm, Q = 50 L/min.
図 13 絶縁板除電率特性
Fig.13 Dependency of charge decay rate of metal plate.

ブロータイプイオナイザを用いた帯電対象物へのイオン搬送分布に関する研究（深田佳成ら）

その搬送されたイオンによって金属及び絶縁体の帯電対象物

12P_50mm10
Decay time (s)349(43)における除電特性に関して実験によって検証した．本研究にP_150mmより以下の 4 点がわかった．

8(1) ブロータイプイオナイザではイオンの流れはエア流れ

6の影響を大きく受け，吹出し口から広がりの少ない直進

4

N_50mm2

N_150mm的な流れとなる．また，イオンの流れの方がエア流れに比べ拡散が大きい．
(2) 金属板の除電では板上の位置による電位減衰に差は無

0
1

10

Frequency (Hz)100

いが，絶縁板の除電ではイオンの流れが衝突する中心部

1000

で初期に大きな電位減衰が起きる．更に，絶縁板の除電

図 14 電源周波数－除電時間特性（絶縁板）

では平板の外側にいくに従い，帯電電位の減衰開始が遅Fig.14 Dependency of charge decay time on frequency.

く 2 次遅れのような減衰特性を示す．
(3) 絶縁板における電位振幅はイオンの流れが直接吹き付とがわかる．特に中心部である No. 1，2 での電位振幅が大きけられている中心部で大きく，金属板よりイオナイザのく，電源周波数 10 Hz でもアクリル板では No.1 に正負の電位

搬送イオンによる電位振幅が大きい．また，絶縁板の方振幅がみられる．一般にイオナイザは測定板が金属の CPM

が金属板より除電時間が長くなる．

で評価されるが，実際に使用の際は対象物のほとんどが絶縁(4) 吹出口φ5 mm のブロータイプイオナイザでは□150 mm

体であると考えられるので，イオナイザの電源周波数によるの絶縁板の電位を中心でも外側でもほぼ同時に 0 V 近傍

帯電対象物の電位振幅の影響を局所的に受けるなどすると対まで減衰する．

象物の表面で電位分布が生じ，これが静電気放電などを引き参考文献起こす可能性がある．ただし，この電位振幅は電源周波数を高くすることで防ぐことができると考えられる．

1)

放電式ノズル型イオナイザの除電特性. 静電気学会誌,

図 14 に電源周波数，
搬送距離を変えた場合の除電時間の結果を示す．ただし，除電時間は表面電位計 No. 1 での 1,000 Vから 100 V に到るまでの時間とする．そのため初期の急激な電位減衰は無視している．また，電源周波数 1 Hz での電位減29 (2005) 62
2)
3)(1991)
4)

Electrostat.，66 (2008) 275
5)

深田佳成, 小根澤和義, 小辻一雄, 八塚京子: 双曲線緩和法則によるイオナイザからのパイプ搬送イオン量の推定.

すなどしてより詳細に今後検討を行っていく．
図11, 14よりどの条件でもアクリル板の方が金属板より除K. Asano, Y. Fukada and T. Yasukawa: Measurement of ACion current from a corona ionizer using a faraday cage. J.

Hz では金属板同様搬送距離の増加に伴い除電時間が長く
時間が短くなった．この要因は不明であり，実験条件を増やEOS/ESD Association: Standard for protection of electrostatic
discharge susceptible items-ionization, EOS/ESD-S 3.1-1991

結果同様，電源周波数の増加に対し除電時間が短くなることなったが，電源周波数 10 Hz では搬送距離の増加に伴い除電

A. Osawa: Efficient charge neutralization with an ac corona
ionizer. J. Electrostat.，65 (2007) 598

衰は図 11 の結果同様に測定不能であった．図より金属板での
がわかる．
ただし，
搬送距離による比較では，電源周波数 1,000

清水 渡, 永田秀海, 和泉健吉, 児玉 勉: 高周波コロナ

静電気学会誌, 36 (2012) 229
6)

深田佳成, 小辻一雄, 鹿野一郎, 八塚京子: ノズル吹出し

電時間が長くなっている．これらより絶縁物の方がイオナイ

イオン流れに関する研究. 2011 年静電気学会講演論文集，

ザからの搬送イオンの影響を受け，局所的に電位振幅が大きp.53, 静電気学会 (2011)

くなる箇所がある可能性があり，除電スピードは全体的に遅くなるという結果となった．また，この電位減衰特性は単純に CPM で考えられる RC 回路モデル10)とは異なる特性を示す
ことがわかった．

7)

静電気学会編: 新版静電気ハンドブック, p.1171, オーム社, (1998)

8)

N. Rajaratnam: Turbulent jets, p.27, Elsevier Scientific
Publishing Company, Amsterdam (1976)

9)

深田佳成, 小辻一雄, 八塚京子: パイプ搬送イオンの拡散特性に関する研究. 2010 年静電気学会春期講演論文集,

6.

まとめ

p.5, 静電気学会 (2010)

本研究は，ブロータイプイオナイザの除電メカニズムを解

10) J. Crowley, D .Leri, G. Dahlhoff and L Levit: Equivalent

明する上で検討項目を四つに大別し，その中でブロータイプ

circuits for air ionizers used in static control. J. Electrostat.，61

から大気中へ吹き出されたエア流れ・イオン搬送特性，
また，(2004) 71