合同分科会 (2002.11)より微小面積表面電位測定技術山口晋一（トレック･ジャパン）概要：静電気の特徴は、その電位（電圧）は非常に高いのですが、電荷量が僅かな為通常の電圧測定器（デジタルマルチメータ）のように対象物に測定電極を接触して測定する事が困難と成っています。その為静電気電圧（表面電位）の測定は非接触で行なう事が必要となります。非接触で表面電位の測定御行なう事が出来る測定器は色々有り、一般的に静電気測定器と呼ばれております。この、静電気測定器には大きく分けて２つの測定器があります。電界計というカテゴリーの測定器と表面電位計というカテゴリーの測定器に分かれております。電界計の測定原理：図１の様に被測定物に向けられた測定電 R 被測定物測定電極極は、被測定物が持っている静電気（V ０） C − の影響を受け逆の極性の誘導電位が生じま + す。ここで測定電極における電流と電圧の変 V 化を見ると、電圧は上昇して行きながら有る C V 電圧で安定します。電流は、始め電流が流れますが暫くすると電流は流れなくなります。変調器発振器この状態では、静電気の測定はできませんから、測定電極を音叉の上に置き音叉の根元に ※変調方法：音叉による測定電極の振動〃測定口のシャッターリングピエゾチップ貼り付け、ピエゾチップに交流 q ※測定物理量：E = (V/m) 測定値は測定距離に依存する。電圧を印加する事で音叉を振動させます。測 4πε0 n 2 定電極が振動する事によって、電極と被測定図１：電界計の測定原理物間の距離が変化し、同時に測定電極と被測定物の間に有る静電容量も変化することで、 10.00 測定電極に変位電圧・変位電流が誘起されま 8.00 す。（注１） 6.00 電界計は、この変位電圧（V １）を検出し 4.00 そのピーク値を測定する事で被測定物の帯電 2.00 電位の絶対値を表示します。また同時に、電 0.00 極振動波形と信号波形を同期検波し被測定物 15 20 25 30 35 40 45 50 -2.00 が帯電している極性を判定します。この場 -4.00 合、測定されているピーク電圧は電界計と被電界計KV 測定物との距離に依存します。測定器メー表面電位計 -6.00 KV 電界計ーKV カーは事前にこの距離で測定器の校正を行っ -8.00 表面電位ております。従いまして、測定に際しては測計ーKV -10.00 測定距離mm 定器メーカーが推奨されている測定距離で測定しなければなりません。推奨距離よりも近図２：電界計／表面電位計測定距離と測定電位の関係づけて測定すると、実際の表面電位より高い電圧を表示します。推奨距離よりも遠ざければ低い表面電位を表示してしまいます。図２は、電界計と表面電位計の特性を表したものです。図３は、電界計が一般的に推奨されている距離約２５ｍｍの距離で測定した時、電界計が測定している面積を表したものです。この時電界計が測定している面積は約１７０ｍｍφと成ります。１表示KV ０注１：測定器のメーカーにもよりますが、測定電極の前にシャッターのような役割を行なう物を置き、測 1 IDEMA Japan News No.53 合同分科会 (2002.11)より定電極に集まる電気力線の数を変化させる事で同じような効果を生じさせ測定している計測器もあります。これは、回転セクター型或いはフィールドミル型と呼ばれています。グランドケーブル電界計表面電位計の測定原理： D=2.5cm デバイス図４の様に被測定物に向けられた測 φ170mm ＊測定値は距離に依存する。定電極は、被測定物が持っている静電気（V ０）の影響を受け逆の極性の誘導 d:25mm時の測定面積φ170mm 電位が生じます。ここで測定電極にお図３：電界計の測定例ける電流と電圧の変化を見ると、電圧は上昇して行きながら有る電圧で安定し発信器ます。電流は、始め電流が流れますが暫くすると電流は流れなくなります。この測定電極状態では、静電気の測定はできませんか同期検波器ら、測定電極を音叉の上に置き音叉の根プローブユニット元にピエゾチップ貼り付け、ピエゾチッ増幅器増幅器高圧発生器プに交流電圧を印加する事で音叉を振動積分器させます。測定電極が振動する事によっ V ：フィードバックループ C d CAL 非測定物て、電極と被測定物間の距離が変化し、同時に測定電極と被測定物の間に有る静インピーダンス整合電容量も変化することで、測定電極に変 V V 表面電位計ユニット位電圧・変位電流が誘起されます。（注２）図４：表面電位計回路表面電位計は、この変位電流（I １）をプローブ内部で増幅し、測定器本体内部ハンディー型で 2 段増幅します。増幅された信号を同表面電位計期検波を行い、測定対象物の帯電極性を確認します。確認された帯電極性と同じ＊測定値は測定距離に依存しない。極性の電圧を測定プローブ全体に印加（VFB フィードバック電圧）します。ほぼ φ25mm グランドケーブル d:5mm 瞬時に被測定物とプローブとが同電位と φ50mm d:10mm なります。プローブと被測定物が同電位デバイス φ80mm d:15mm に成りますと、今まで存在していました φ120mm d:20mm 測定電極と被測定物間の静電容量が打ち φ170mm d:25mm 消され、測定電極から変位電圧・変位電流の信号が無くなります。信号が検出さ d:25mm時の測定面積φ170mm れなくなった事を受けて、プローブの電図５：ハンディー型表面電位計の測定例圧上昇を停止しその時の電圧を維持します。このとき被測定物と測定プローブが同電位となり、測定器内部で発生している電圧が被測定物と同じ電圧になっています。そこで、測定器内部で発生させている電圧（VM）を表示する事で被測定物の表面電位測定が可能となります。このような測定方式をフィードバック方式又はゼロ位法と呼びます。この方式を採用する事で、表面電位計は測定距離に依存しにくい表面電位の測定が可能となり、センサープローブを被測定物に近づけられる為微小な面積の測定が可能となります。但し測定距離が変化した場合、測定面積も変化しますのでこの点に付いては注意が必要です。（図５、図６参照） FB ０ M 2 IDEMA Japan News No.53 合同分科会 (2002.11)より注２．表面電位計の場合、測定電極の前にシャッターのような物を取り付けているセンサーのタイプと測定電極を横方向に振動させるタイプの物と２種類あります。表面電位計グランドケーブルプローブ微小面積・微小電位測定技術：＊測定値は測定距離に依存しない。デバイス φ3mm d:1mm 上記の表面電位計の技術を使用し、微小 φ25mm d:5mm φ70mm 面積の測定が出来る測定器を開発いたしまし d:10mm た。それが ModelPR1182 微笑面積・微小電位測定用表面電位計です。（図７、図８参照） d:10mm時の測定面積φ70mm プローブ内部の測定電極を微小化し、ま図６：表面電位計の測定例たプローブ内部のオペアンプの改良、ノイズの低減等の対策を施した事で微小面積の表面電位測定が可能となりました。測定距離５０μの時、約２００μφの面積の表面電位測定が可能です。測定電圧は、±１００ V と成ります。参考までに実験回路図（図９）、測定対象電極の詳細を記載しておきます。（図１０）図７：Model PR1182 表面電位計仕様測定電圧：０〜＋／− １００ V 出力範囲：測定電圧の１／１００測定面積：２００μｍφ（但しプローブと測定表面との距離が５０μｍの時）応答速度：４ m sec（１００ V ステップ入力時）測定感度：１０ｍ V 測定精度：０．１％ FS プローブ寸法：９ . ７ｍｍφ X ５０ｍｍ L Model PR1182 表面電位計特長測定面積：２００μｍφ （但しプローブと測定表面との距離が５０μｍの時）測定分解能：１０ｍ V 応答速度：４ m sec （１００ V ステップ入力時）プローブケーブル：１ . ５ m 図８：微小面積・微小電位計測 3 IDEMA Japan News No.53 合同分科会 (2002.11)より図９：測定面積確認実験図１０：測定面積確認実験 4 IDEMA Japan News No.53