JP4130188B2 - 表面電位計 - Google Patents

Description

本発明は、物体の表面電位を測定するための表面電位計に関する。

静電気を帯びた物体の表面電位の測定には非接触型の測定器が用いられる。この種の測定器としては、被測定面と対向する振動電極をもつ振動容量型の表面電位計が一般的である。

例えば特開２０００−１４７０３６号公報に記載された電界測定形式の振動容量型の表面電位計は振動電極と固定電極とを有しており、固定電極の電位を参照することによって被測定面の微小位置変動に因る測定誤差を低減するように構成されている。

また、振動電極を内蔵するプローブと高電圧源を備える本体とから構成された表面電位計が市販されている。この表面電位計では、プローブの電位を徐々に上昇させて、振動電極からの変位信号が無くなった時点のプローブの電位を測定値とするゼロ位法が用いられている。
特開２０００−１４７０３６号公報

従来の表面電位計による測定は、表面電位計の設置が面倒であったり、表面電位計の装置構成が大掛かりであったりして手軽ではなかった。すなわち、上述した電界測定形式の表面電位計は多少の距離変動は許容されるものの、基本的には被測定面との対向距離が規定値となるように被測定面と表面電位計との位置決めをする必要がある。一方、ゼロ位法による測定は対向距離の依存性が小さいものの、高電圧源を備えた表面電位計は重く可搬性に劣るので、互いに離れた複数の被測定面のそれぞれについて測定する場合のように表面電位計の移動が必要な場合には好適ではない。

本発明は表面電位の手軽な測定の実現を目的としている。他の目的は小型軽量の表面電位計を提供することである。

本発明に係る表面電位計は、第１固定電極、第２固定電極、外部接続端子、基準電位ライン、第１コンデンサ、第２コンデンサ、電圧検出回路、演算手段、および表示器を備える。第１固定電極は被測定面と対向する。第２固定電極は、前記第１固定電極と段違いに配置され、前記第１固定電極よりも被測定面に近い位置で被測定面と対向する。基準電位ラインは外部接続端子に接続される。第１コンデンサは、その一端が前記第１固定電極に接続され、その他端が前記基準電位ラインに接続される。第２コンデンサは、その一端が前記第２固定電極に接続され、その他端が前記基準電位ラインに接続される。第１コンデンサおよび第２コンデンサのそれぞれの静電容量値は既知である。電圧検出回路は、前記第１コンデンサの端子間電圧および前記第２コンデンサの端子間電圧を検出する。演算手段は、検出された前記第１コンデンサの端子間電圧および前記第２コンデンサの端子間電圧に予め決められた演算式を適用することによって、被測定面の電位に対応した電圧値を算出する。表示器は算出された電圧値を表示する。

本発明によれば、表面電位の手軽な測定を実現することができる。

また、被測定面に対する表面電位計の対向姿勢の許容範囲を拡げることができる。

請求項４の発明によれば、小型軽量の表面電位計を提供することができる。

図１は本発明に係る表面電位計の前面の構成を示す外観図である。

表面電位計１は、図の上下方向に長い略直方体の外形をもつ所謂手のひらサイズの携帯可能な測定器である。樹脂製の筐体１０の前面に、所定桁の数（図では５桁）の表示が可能な液晶表示器４５と、操作者が測定開始を指示するための押しボタン式の操作入力スイッチ４６とが配置されている。また、筐体１０の下端面には内部の基準電位ラインを接地するための外部接続端子５１が配置されている。

図２は表面電位計の背面の構成を示す外観図であり、図３は図２のａ−ａ矢視断面図である。図２では導体膜の構成を示すために筐体１０の一部を切り欠いてある。

表面電位計１の背面の上端側に第１固定電極１１および第２固定電極１２が配置されている。第１固定電極１１および第２固定電極１２は銅または他の金属からなる略四角形の平板状の導電体である。第２固定電極１２は、２個の導電体１２１，１２２からなり、これら導電体１２１，１２２は第１固定電極１１に対して筐体１０の短尺方向（図の左右方向）の一方側と他方側とに振り分けて配置されている。つまり、導電体１２１と導電体１２２との間に第１固定電極１１が位置する。導電体１２１，１２２のそれぞれの平面積はともに第１固定電極１１の平面積の１／２である。

第１固定電極１１および第２固定電極１２に関して最も重要な事項は、第１固定電極１１と第２固定電極１２とが、互いに重ならずかつ第２固定電極１２が第１固定電極１１よりも被測定面８に近づくように段違いに平行配置されていることである（図３参照）。つまり、表面電位計１の背面は平坦面ではなく、第１固定電極１１の配置される部分が窪んだ段差面になっている。第１固定電極１１と第２固定電極１２との間の高低差、すなわち表面電位計１の背面における段差ｇの値は５ｍｍ程度である。

このような第１固定電極１１および第２固定電極１２を囲むように筐体１０の内面に導電膜５２が設けられている。導電膜５２は外部接続端子５１と導通しており、シャーシーアースとして用いられる。

なお、筐体１０の背面の下端側には、バッテリー交換のための開閉部１０Ａが設けられている。

以上の表面電位計１の構成に関して種々の変形が可能である。例えば、筐体１０を金属で構成し、導電膜５２に代えて適切な絶縁膜を設けてもよい。導電膜５２を第１固定電極１１および第２固定電極１２の近傍のみに配置してもよい。第１固定電極１１および第２固定電極１２の形状は四角形に限らず、円形、楕円形および他の形状でもよい。第２固定電極１２を第１固定電極１１の上下左右に配置した計４個の導電体で構成してもよい。第２固定電極１２は第１固定電極１１を囲む環状であってもよい。外部接続端子５１は基準電位ラインと導通しかつ外界に露出した導体であればよい。

図４は本発明に係る測定原理の説明図である。

表面電位計の内部において、第１固定電極と基準電位ラインとの間および第２固定電極と基準電位ラインとの間にそれぞれ静電容量値Ｃｓのコンデンサが接続されている。Ｃｓの具体値は１０００ｐＦ〜１００００ｐＦである。このような表面電位計を物体の前方に配置すると、物体表面の電荷の影響を受けて第１固定電極および第２固定電極に誘導電位が生じ、これにともなって２つのコンデンサの端子間に電圧が生じる。

誘導電位は第１固定電極および第２固定電極のそれぞれと物体との距離Ｄ１，Ｄ２に依存する。ここで、第２固定電極と物体との間における静電容量値をＣｘとすると、第１固定電極と物体との間おける静電容量値は、Ｃｘと電極配置の段差ｇに応じた静電容量値Ｃｇとの合成値になる。

第１固定電極側のコンデンサの端子間電圧をＶ１、第２固定電極側のコンデンサの端子間電圧をＶ２とすると、物体の表面電位に相当する電圧である物体と基準電位ラインとの間の電圧Ｖｘは以下のようにＶ１，Ｖ２で特定される。
Ｖ１＝（Ｖｘ／Ｃｓ）／（１／Ｃｘ＋１／Ｃｇ＋１／Ｃｓ）
Ｖ２＝（Ｖｘ／Ｃｓ）／（１／Ｃｘ＋１／Ｃｓ）
Ｃｘ，Ｃｇ《 Ｃｓならば
Ｖ１＝（Ｖｘ／Ｃｓ）／（１／Ｃｘ＋１／Ｃｇ） …（１）
Ｖ２＝（Ｖｘ／Ｃｓ）／（１／Ｃｘ） …（２）
式（１）を変形すると
Ｖ１（１／Ｃｘ＋１／Ｃｇ）＝（Ｖｘ／Ｃｓ）
Ｖ１／Ｃｘ＝（Ｖｘ／Ｃｓ）−Ｖ１／Ｃｇ
１／Ｃｘ＝（Ｖｘ／Ｃｓ−Ｖ１／Ｃｇ）／Ｖ１ …（３）
式（２）を変形すると
Ｖ２／Ｃｘ＝（Ｖｘ／Ｃｓ）
１／Ｃｘ＝（Ｖｘ／Ｃｓ）／Ｖ２ …（４）
式（３）および式（４）から
（Ｖｘ／Ｃｓ−Ｖ１／Ｃｇ）／Ｖ１＝（Ｖｘ／Ｃｓ）／Ｖ２
（Ｖｘ／Ｃｓ−Ｖ１／Ｃｇ）Ｖ２＝（Ｖｘ／Ｃｓ）Ｖ１
（Ｖｘ／Ｃｓ）Ｖ２−（Ｖ１／Ｃｇ）Ｖ２＝（Ｖｘ／Ｃｓ）Ｖ１
（Ｖｘ／Ｃｓ）Ｖ２−（Ｖｘ／Ｃｓ）Ｖ１＝（Ｖ１／Ｃｇ）Ｖ２
Ｖｘ（Ｖ２／Ｃｓ−Ｖ１／Ｃｓ）＝（Ｖ１／Ｃｇ）Ｖ２
Ｖｘ＝（Ｖ１／Ｃｇ）Ｖ２／（Ｖ２／Ｃｓ−Ｖ１／Ｃｓ）
Ｖｘ＝（Ｖ１・Ｖ２／Ｃｇ）／（Ｖ２−Ｖ１）／Ｃｓ
Ｖｘ＝（Ｃｓ／Ｃｇ）・（Ｖ１・Ｖ２）／（Ｖ２−Ｖ１） …（５）
式（５）が示すとおり、電圧Ｖｘは距離Ｄ２に依存する静電容量値Ｃｘを含まない式で表され、電圧Ｖ１，Ｖ２から電圧Ｖｘを算出することができる。つまり、表面電位計と物体とを厳密に位置決めすることなく表面電位を測定することができる。

Ｃｓは使用するコンデンサに固有の既知の値であり、Ｃｇも電極配置で決まる固定の段差ｇに応じた既知の値である。しかし、実際にはＣｓに若干のばらつきがあり、Ｃｇに設計値との誤差がある。したがって、Ｃｓ／Ｃｇを定数ｋとし、校正によってｋを決めるのが望ましい。つまり、次の式（６）を適用することによって、より正確に物体の表面電位を測定することができる。
Ｖｘ＝ｋ（Ｖ１・Ｖ２）／（Ｖ２−Ｖ１） …（６）
ここで、空気の比誘電率は８．８５４×１０^-12Ｆ/ｍであるので、例えば３０ｍｍ角の電極を物体から５０ｍｍ離して配置したときの物体と電極との間の静電容量値は０．２ｐＦ程度である。コンデンサの静電容量値Ｃｓが１０００ｐＦのコンデンサを使用したときの電圧Ｖｘに対するコンデンサの端子間電圧（Ｖ２）の分圧比は５×１０³となる。したがって、端子間電圧の測定に分解能１ｍＶの検出回路を用いた場合、表面電位測定の分解能は５Ｖである。これは一般的な要求（分解能１０Ｖ）を十分に満たす。

１０００ｐＦのコンデンサの安定度は１００秒で電圧が１ｍＶ変動する程度かそれよりも良好である。フルスケールを±５００とすれば、１／１０ＦＳは５０である。物体との距離（測定ギャップ）が５ｃｍのとき、段差ｇが５ｍｍの構成において発生する測定誤差は５１／４９〜４９／５１、すなわち±４％以内になる。

図５は表面電位計の機能構成を示す回路図である。

表面電位計１は、第１固定電極１１、第２固定電極１２、外部接続端子５１、基準電位ライン５２、第１コンデンサ２１、第２コンデンサ２２、電圧検出回路３０、プロセッサ（ＣＰＵ）４０、表示器４５、操作入力スイッチ４６、直流電源４７、バッテリー４８、クロックジェネレータ４９、第１導通路６１、および第２導通路６２を備える。

上述したとおり、第１固定電極１１および第２固定電極１２は段違いに配置され、基準電位ライン５２は外部接続端子５１に接続されている。

第１コンデンサ２１は、その一端が第１固定電極１１に接続され、その他端が基準電位ライン５２に接続される。第２コンデンサ２２は、その一端が第２固定電極１２に接続され、その他端が基準電位ライン５２に接続される。第１コンデンサ２１の静電容量値（Ｃｓ）は第２コンデンサ２２の静電容量値（Ｃｓ）と等しい。

電圧検出回路３０は、２つの演算増幅器３１，３２を中心に構成され、ゲイン調整および零出力調整のためのフィードバック回路を備える。演算増幅器３１は第１コンデンサ２１の端子間電圧（Ｖ１）に応じた検出信号をプロセッサ４０に出力し、演算増幅器３２は第２コンデンサ２２の端子間電圧（Ｖ２）に応じた検出信号をプロセッサ４０に出力する。

プロセッサ４０は、予め記録されたプログラムを実行するマイクロコンピュータであり、演算手段４０１およびリセット制御手段４０２の機能を備える。演算手段４０１は、電圧検出回路３０からの検出信号が表す第１コンデンサ２１の端子間電圧および第２コンデンサ２２の端子間電圧に上述の式（６）を適用することによって、被測定面の電位に対応した電圧値を算出する。リセット制御手段４０２は、操作入力スイッチ４６のオン操作に呼応して第１導通路６１および第２導通路６２を閉じ、一定時間の経過後に開く。

表示器４５は、演算手段４０１によって算出された電圧値を測定結果として表示する。操作入力スイッチ４６は、操作状態に応じた信号をプロセッサ４０に与える。直流電源４７はバッテリー４８からの電力に基づいて±５Ｖの駆動電圧を発生させてプロセッサ４０および電圧検出回路３０に供給する。クロックジェネレータ４９はプロセッサ４０に動作クロックを与える。

第１導通路６１および第２導通路６２は、プロセッサ４０からの制御信号Ｓ６１，Ｓ６２に従って動作するスイッチからなる。スイッチとしてリレーが好適であるが、半導体スイッチであってもよい。スイッチと直列に抵抗を挿入する場合もある。第１導通路６１が閉じると、基準電位ライン５２と第１コンデンサ２１とを通る閉ループが形成され、第１コンデンサ２１の蓄積電荷が基準電位ライン５２へ放出される。同様に第２導通路６２が閉じると、第２コンデンサ２２の蓄積電荷が基準電位ライン５２へ放出される。つまり、第１導通路６１および第２導通路６２は、第１コンデンサ２１および第２コンデンサ２２のそれぞれの端子間電圧を零に戻すリセットのための手段である。

表面電位計１による測定は次の手順で行われる。

測定準備として、外部接続端子５１と外部の接地電位ラインとを導線などによって接続し、基準電位ラインを接地しておく。

操作者は、操作入力スイッチ４６を操作して測定開始を指示する。指示を受けてプロセッサ４０は第１コンデンサ２１および第２コンデンサ２２をリセットする。リセットは瞬時に終了し、第１導通路６１および第２導通路６２が開かれて表面電位計１は測定可能なスタンバイ状態になる。

測定開始指示に続いて、先立って、または並行して、操作者は指示表面電位計１の背面を被測定面に向けて表面電位計１を被測定面に近づける。表面電位計１は片手で保持できる。被測定面に接触させないように気をつけて、被測定面から数ｃｍ〜１０ｃｍ程度離れた位置に表面電位計１を配置する。

このとき、第１固定電極１１および第２固定電極１２と被測定面とが平行であるのが好ましいが、所定範囲内で傾いた対向姿勢は許容される。それは、第２固定電極１２が第１固定電極１１の両側に配置された２個の導電体１２１，１２２で構成されるからである。第２固定電極１２が第１固定電極１１と同様に単一の平板であれば、表面電位計１が大きく傾いたときに、被測定面に対する第１固定電極１１と第２固定電極１２との遠近関係が正規と逆になる。この条件は演算式の定数ｋを求める校正における条件と異なるので、正しい測定結果が得られない。これに対して、第２固定電極１２が２個の導電体１２１，１２２で構成される本構造では、表面電位計１が大きく傾いたときに、導電体１２１，１２２の片方は第１固定電極１１よりも被測定面から遠くなるものの、残りの片方は傾いていないときよりもさらに被測定面に近づくので、遠近が平均化されることによって適正な測定結果が得られる。

表面電位計１を高電位の被測定面に対向させると、第１コンデンサ２１および第２コンデンサ２２の端子間電圧が刻々と変化する。そのとき、端子間電圧は繰り返し検出され、検出値に基づく演算の結果が逐次に表示器４５によって表示される。表示される数値は数秒から数十秒でほぼ一定となる。その時点の数値が被測定面の電位、すなわち測定結果を表す。

操作者が操作入力スイッチ４６を操作する度に測定が再開される。以前と異なる物体の表面電位を測定したければ、表面電位計１を適宜に移動させて所望の被測定面に対向させればよい。

表面電位計１の仕様の一例は次のとおりである。
測定電圧： １０Ｖ〜２０ｋＶ
レンジ切替え：オート（例えば感度を1200Ｖ以上で１桁落とし1000Ｖ以下で１桁上げる）
測定精度： ±５％以上
電源管理： オートパワーオフ（デフォルトは最終操作から３分後にパワーオフ）
以上の実施形態によれば、表面電位計１を被測定面に対向させて測定開始を指示するという簡単な操作で表面電位を測定することができる。表面電位計１は振動電極も高電圧源ももたないので、小型軽量化が可能である。

上述の実施形態では、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２がともに静電容量値Ｃｓをもつ構成を例示したが、２つのコンデンサの間で静電容量値が異なる構成であっても表面電位の測定は可能である。例えば第１コンデンサ２１の静電容量値をＣｓ，第２コンデンサ２２の静電容量値をＣｓ’（＝ａＣｓ）とすると、上記式（６）は次式に置き換わる。
Ｖｘ＝ｋ（Ｖ１・Ｖ２）／（Ｖ２−Ｖ１／ａ） …（６’）
この式（６’）の適用によって表面電位を算出することができる。
ここで、静電容量値Ｃｓと静電容量値Ｃｓ’との関係を、表面電位計１の背面と被測定面とが平行であるときに電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との比が所定値（例えば１）となるようにＣｇを考慮して選定するのが好ましい。測定に際して、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との比が所定値またはそれに近い値であるかどうかを検知し、表面電位計１の背面と被測定面とが平行である旨をランプなどで表示すれば、操作者が表面電位計１を好ましい姿勢に容易に配置することができ、より手軽に正確な測定を行うことができる。

上述の実施形態において、表面電位計１の構成、形状、各部の材質、寸法、静電容量値などの構造条件、表面電位計１の仕様、および測定手順は例示に限定されず、本発明の主旨に沿う範囲内で種々の変更が可能である。例えば、第１導通路６１および第２導通路６２をリレー回路とし、電源オフ状態では第１コンデンサ２１および第２コンデンサ２２をリセットするように閉じかつ電源オンに呼応して開く構成としてもよい。

本発明は、半導体や液晶パネルに代表される比較的に静電気に弱い部品や製品の製造ラインにおける静電気チェック、イオナイザーや帯電チャージャの評価、フィルムや樹脂などの帯電し易い部材の帯電チェックなどの各種の用途に好適である。

本発明に係る表面電位計の前面の構成を示す外観図である。 表面電位計の背面の構成を示す外観図である。 図２のａ−ａ矢視断面図である。 本発明に係る測定原理の説明図である。 表面電位計の機能構成を示す回路図である。

符号の説明

１ 表面電位計
８ 被測定面
１０ 筐体
１１ 第１固定電極
１２ 第２固定電極
１２１，１２２ 導電体
２１ 第１コンデンサ
２２ 第２コンデンサ
５２ 基準電位ライン
Ｃｓ 静電容量値
Ｖ１ 第１コンデンサの端子間電圧
Ｖ２ 第２コンデンサの端子間電圧
Ｖｘ 被測定面の電位に対応した電圧値
５１ 外部接続端子
３０ 電圧検出回路
４０１ 演算手段
４５ 表示器
４６ 操作入力スイッチ
６１ 第１導通路
６２ 第２導通路
５０１ リセット制御手段

Claims (4)

1. 物体の表面電位を測定するための表面電位計であって、
   被測定面と対向する第１固定電極と、
   前記第１固定電極と段違いに配置され、前記第１固定電極よりも前記被測定面に近い位置で前記被測定面と対向する第２固定電極と、
   接地のための外部接続端子と、
   前記外部接続端子に接続された基準電位ラインと、
   前記第１固定電極に一端が接続され、前記基準電位ラインに他端が接続された第１コンデンサと、
   前記第２固定電極に一端が接続され、前記基準電位ラインに他端が接続された第２コンデンサと、
   前記第１コンデンサの端子間電圧および前記第２コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出回路と、
   検出された前記第１コンデンサの端子間電圧および前記第２コンデンサの端子間電圧に予め決められた演算式を適用することによって、前記被測定面の電位に対応した電圧値を算出する演算手段と、
   算出された電圧値を表示する表示器とを備え、
   前記第２固定電極は、前記第１固定電極の両側に振り分けて配置され且つ電気的に接続された２個の導電体からなる
   ことを特徴とする表面電位計。
2. 前記第１コンデンサの静電容量値と前記第２コンデンサの静電容量値とが等しく、
   前記演算式は
   Ｖｘ＝ｋ（Ｖ１・Ｖ２）／（Ｖ２−Ｖ１）
   ただし、Ｖｘ：被測定面の電位に対応した電圧値
   ｋ：定数、
   Ｖ１：第１コンデンサの端子間電圧、
   Ｖ２：第２コンデンサの端子間電圧
   である
   請求項１記載の表面電位計。
3. 操作者が測定開始を指示するための操作入力スイッチと、
   前記第１コンデンサと並列に前記第１固定電極および前記基準電位ラインに接続された開閉可能な第１導通路と、
   前記第２コンデンサと並列に前記第２固定電極および前記基準電位ラインに接続された開閉可能な第２導通路と、
   前記操作入力スイッチのオン操作に呼応して前記第１導通路および第２導通路を閉じ、一定時間の経過後に開くリセット制御手段とを備える
   請求項１または２記載の表面電位計。
4. 前記電圧検出回路および演算手段を収容する筐体を有し、
   前記筐体の前面に前記表示器が配置され、
   前記筐体の背面に前記第１固定電極および第２固定電極が配置され、
   携帯可能に構成されてなる
   請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の表面電位計。