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静電気測定器

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静電気測定器
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静電気測定

静電気の測定

電気障害を除くためのデータを得る目的で行われる計測は,計測対象が単純ではないだけでなく,その計測方法についても定まっていない部分がある。

静電気計測として必要な項目は

① 電荷量の計測
② 電位・電界の計測
③ 材料の静電気的特性に関する計測
④ 静電気放電とその影響に関する計測
⑤ 静電気障害対策用品の性能判定のための計測
などがある。

日本工業規格JIS C  61340-2-2で静電気の帯電特性の測定を定義、標準化しています。

静電気の測定の繰り返し精度

帯電性の測定は繰り返しの精度が低い、その理由の一つは,電荷発生の繰り返し性の悪さである。一定と思われる条件で物体を摩擦片で摩擦すると,発生する電荷はいつも同じ量であるとは限らない。むしろ発生量だけでなく,電荷の極性まで変化してしまうことがあるほどにばらついてしまうことの方が多い。

よって測定はかなり多数回繰り返して行う必要がある。

電荷発生の測定結果がばらつく主な原因として,以下の項目があげられる。
① 電荷の発生は表面のわずかな組成・分子配列の違い,汚染などに敏感である。
② 摩擦中に表面が変化する。
③ 摩擦条件を微視的に完全に同一にすることは極めて難しい。
④ 摩擦中,あるいは摩擦を終了し,摩擦片を離す際に静電気放電が起こる。

測定値が静電気放電の影響を受けないようにするためには,測定雰囲気を真空にすればよい。真空度が10-3Torr (1 Torr = 133.3 Pa)より高真空の領域に入ると,ほとんど放電は発生しなくなる。そのため真空中の実験では,電荷量は空気中より多くなりやすい。真空中では湿度もゼロだから,雰囲気としての条件は空気中よりきちんと押さえられる。そこで研究のためには,真空中での帯電実験がかなり行われている。

測定精度 繰り返し性

測定精度 繰り返し性

静電気関連の測定器

比較的手軽に使える静電気の測定器および関連機器について解説。

帯電電位計(表面電位測定器)

静電気の測定中の電荷の測定にはクーロンメータ(電流積分法)やファラデーゲージなどが使用されますが原始的な方法のため工場での測定には向いていません。
現在、工場で良く使用されているのが帯電電位計(表面電位測定器)です。

帯電していない導体は,近くに帯電体が無い広い空間に置かれていればその電位はゼロである。しかし,この導体に帯電体が接近すると,導体自身に電荷が無いにもかかわらずその電位が変化する。そのため,導体の電位を測定することによって,帯電体の電位(あるいは電荷量)を知ることができる。

表面電位測定器

表面電位測定器の原理

帯電物体の近くの導体には帯電電荷と反対極性の電荷が誘導されて電位が現れるから,プローブの電位の大きさと極性を判定して表示するのである。この電位は直流電位であり,そのままでは取り扱いにくいので,変調して交流にしてから取り扱う。変調用には,以前は回転セクタでチョップする方式(これをフィールドミルと呼ぶ)が多かったが,いまは小型の振動容量センサが便利に使われている。

振動容量型電位計

振動容量型電位計

ハンディ 静電気測定器

下図の商品はハンディな帯電電位計の例である。帯電した表面に近づけると,帯電電位の極性と大きさを指示する。ここでもq=vc則が支配するので,測定器を近づけると帯電物体の電位は低下する。測定するときの物体との距離は決められていて,この距離まで接近すると音を発して合図し,表示もこのときのままホールドする機種もある。

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電位センサを測定器本体とは別の小さなプローブにすると,帯電物体に近づけてもq=vc法則によるqの増加,すなわちvの低下は小さい。下の商品は,その例である。こういう機種ではプローブを小さくして測定面の上を前後左右に動かせば,不均一な帯電状態の二次元分布を測定できる。

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表面電位測定器の使用時の注意点

電位は帯電体の電荷量だけで決まらずに,その部分の静電容量に依存して決まる。静電容量は帯電体の置かれた状態によって変化するから、測定ポイントに留意し、場所を記録する事が必要です。

例えば,図に示すフィルムが金属ロールで搬送されている例では,A点のようにフィルムがローラに接触している所と,B点のようにフィルムが空間にあり,その裏面が物体から離れている所でのフィルムの電位は大変な違いを生じる。当然A点での電位は低くなり,B点での電位は高くなる。

表面電位測定器の使用時の注意点

表面電位測定器の使用時の注意点

ファラデー・ケージ

電荷量測定器には,プローブでさわって測定するハンデイなものもあるが,図4.4のようなファラデー・ケージによる方法が信頼できる。金属の二重箱(ふつうは円筒形)に帯電物体をそっくり入れて内側の箱の電位を測定すると,物体の総電荷量(正負電荷の代数和)がわかる。外箱は,近接物体の影響をなくすためのシールドであり,接地する、内箱は接地から絶縁する。

ファラデー・ケージの原理

ファラデー・ケージの原理

ファラデー・ケージ(電気学の大学者マイケル・ファラデーにちなんだ名称である)は,自作することもできる。市販のファラデー・ケージは小さいので,たとえば脱いだ衣服の帯電電荷を測定しようとすると,大きなファラデー・ケージを自作する必要がある。

トタン板かアルミ板で缶をつくる。入れ子にできる大小2つの空き缶を探してもよい。内箱を外箱から絶縁する脚には,リーク抵抗の高い絶縁物が必要であり,テフロンやポリェチレンを使う。なければデルリンでもよい。内箱のふたのつまみも,同じく絶縁抵抗の高い材料を使う。外箱のふたのつまみは何でもよい。内箱は,被測定物が底の方にくるように十分深くなければならない。この条件が満たされている限り,精密測定でないならば,箱のふたはなくてもよい。電位計に接続するのには,高周波同軸ケーブルを使用すればよい。下図は市販品である。

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フアラデー・ケージ

内箱に接続する電位計は,入力抵抗はきわめて高くなければならない。非接触型電位計と違って,本格的な(つまり高価な)微小電圧計であり,微小電流計としても使用できるものが多い。これをエレクトロメータと称することがある。

ファラデー・ゲージにおいても,q=vc則が支配する。内箱の静電容量C(正確には,同軸ケーブルの静電容量とエレクトロメータの入力容量を加算した値)を別途測定しておいて,vをエレクトロメータで測定しqを換算するのである。
測定器の入力抵抗と入力容量について,ここで述べておこう。ふつうの電子測定器では,入力端子一接地間の抵抗は高くても1MΩであり,入力端子一接地間の静電容量は50pF程度ある。

静電気の場合,1MΩの抵抗をつなぐと,電荷はすぐリークしてしまう。オシロスコープのようにプローブ(ふつうは10:1プローブである)を使用しても,抵抗は10MΩ程度にしかならない(静電容量は5pF程度になる)。リード線の静電容量を考慮しなければならない場合もある。同軸ケーブルの心線-シールド網問の静電容量は,1mあたり65pF程度である。エレクトロメータでは,入力抵抗1014Ω程度のものが市販されている。

帯電プレートモニター

除電器の性能を評価する項目とて発生イオン量があり、測定方法として除電時間を測定する方法、有効除電電流を測定する方法、空間のイオン個数をカウントする方法がある。

一般的に工場で使用されているのが除電時間を測定する「イオナイザー・パーフォーマンスーテスター」という装置です。帯電させるプレートを持つためCPM(チャージ プレート モニター)とよぶこともあります。

 電気的に接続のない帯電板に電位を与え、その帯電板が除電され電位が低下し許容範囲内になるまでの時間を測定する。帯電させたものを除電し、その時間をあらわすので直感的にわかりやすい。この測定器はチャージプレートモニタ(CPM)として市販されている。市販されているCPMはANSI/ESDSTM3.1で規格化されている。この構成を図55に示す。

帯電プレートモニター

帯電プレートモニター

除電時間の測定方法

除電時間の測定は、帯電プレートを帯電し、その帯電電位が10%に減衰する迄のタイムを測定します。
Q[C]=C[f]×V[V]

静電容量Cが変わらなければ、静電気(電荷量)Qと帯電(電位)Vは比例します。つまり、帯電プレートで測定した減衰タイムに、静電容量の違いを考慮すれば、静電気の減衰タイムが分かります。

具体的な測定方法は帯電板に1000V以上の電位を与え、1000Vから100Vになるまでの時間を測定する。これをプラスとマイナスの両極性について行い、それぞれの除電時間とするものである。

除電時間の測定方法

除電時間の測定方法

イオンバランスの測定方法

除電器の性能評価として次に重要なのがイオンバランスです。評価方法は、除電器から出てくるイオン中に電極を置き、電極の静電位を測定します。測定した極性と静電位で、プラスとマイナスのどちら側にどれくらいずれているかを調べ、それをイオンバランスとして表現します、イオンバランスは0Vであるのが理想的です。
除電器の方式によりイオンバランスは異なります。AC型除電器では電源の50/60ヘルツの脈動がイオンバランスとして出てきます。またDC型除電器では、場所によりイオンバランスが変化しやすく、パルス型除電器ではパルス周波数がそのまま大きなイオンバランスの脈動として現われます。これらをいかに0Vに近づけるかが除電器の1つの性能評価基準になります。

イオンバランスの測定方法

イオンバランスの測定方法

湿度計

昔は良く乾湿計(湿度を乾球温度と湿球温度の温度差から表により求める)が使用されていたが最近は吸湿材の電気特性の変化をセンサーで測定するデジタル式湿度計が実用的であり、一般に使用されている。

デジタル湿度計

デジタル式の構造は櫛をかみ合わせたような電極の上に感湿剤を間に挟み、感湿剤の湿度変化による抵抗値変化を検知する抵抗値タイプ型と静電気容量型があります。

デジタル湿度計

デジタル湿度計

現在、世界的に主流なのは高分子静電容量式になっています。

下記に電気抵抗式と静電容量式の特徴を記載します。

【電気抵抗式】
・構造が簡単で、大量生産が可能、安価である。
・電気抵抗を測定するためにノイズに強い。その為にセンサ部を小型化する事ができ、センサケーブルも細くすることが可能。
・原理上10~20%以下が測定が出来ない。

【静電容量式】
・応答速度が早い。
・高温・低温度域での使用が可能。
・低湿度測定に優れる。
・静電容量を測定するためノイズに弱い。したがってシールド性が必要でケーブルなども太い。

露点湿度計

湿度測定は難しいことであって,露点湿度計(乾湿計のこと)が信頼できるが,これは簡便ではない。そこで温度計を2本そなえていて,湿らせたガーゼで片方の根元をくるむ乾湿球湿度計が広く使われている。
下図にこれを示す。乾湿球湿度計は,人が目盛から読み取らないと測定にならない。毛髪湿度計は指示型で便利であるけれども,経年変化があって,校正が必要である。

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そのほか指示型の湿度計が市販されているが,部屋のアクセサリーに近いものが多い。電気式の湿度計もいろいろあるが,センサの信頼性,とくにその経年変化が難点である。

 アズワン (AS ONE) 精密自記温湿度計 TH-27R

下図のような自記温度湿度計がある。温度変化はバイメタル,湿度変化は毛髪で検知して,円筒に巻いた記録紙にペンで変化曲線を記録するものである。円筒の1回転は,1日,1週間,31日,1年と切り替えられるようになっている。気象用測定器であり,頑丈ではなく,定期的に記録紙を取り替える必要があるなど簡便に使えるとは言えない。しかし,事務室や工場,作業室などにそなえると,湿度の変化が一目瞭然で,静電気と湿度との関係を知るツールになる。

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静電測定器 レンタル

工具通販モノタロウで計測機器のレンタルとして “静電気測定器” もレンタルしています。

参考サイト:工具通販モノタロウ 静電気測定器 レンタル

オリックス・レンテック で 静電気測定器のレンタルをしています。

参考サイト:オリックス・レンテック  静電気測定器 レンタル

関連記事:静電気測定器の正しい選び方、使い方
*さらに詳しい内容は下記の文献を参考、願います。

参考文献:

静電気の基礎と帯電防止技術 著者:村田雄司 日刊工業新聞社
たのしい静電気  著者:高柳 真
静電気トラブル Q&A  監修:田畠泰幸

図解 静電気管理入門 著者:二澤 正行 工業調査会
静電気がわかる本―原理から障害防止ノウハウまで 高橋 雄造 (著)
電気機器の静電気対策 (設計技術シリーズ) 水野 彰 (監修)

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