靜電消除器的Q&A應用篇

彙整了靜電對策的基礎知識、靜電引發的故障或破壞,以及關於靜電消除器的常見Q&A。

為了能更有效運用靜電消除器,靜電消除器的裝設方法就變得十分重要。
尤其是以下兩點務必注意。

  1. 裝設在哪裡

    裝設靜電消除器的位置不同,消除靜電的效果也大不相同。

  2. 朝哪個方向消除靜電

    雖說有帶電,但並非朝任何方向都能達到消除靜電的效果。某些情況下可能完全無法達到消除靜電的效果,因此也必須要注意靜電消除器的方向。

    靜電消除器是利用電暈放電從針尖生成離子後釋出。而離子具有會被金屬等導體吸引的性質,因此如果靜電消除器的周圍有導體,所產生的離子就會被導體所吸引。其結果就是,要供應給靜電消除目標物的離子會減少,導致靜電消除效果減半。請注意採取正確的裝設方法以有效進行靜電消除。

    重點

    SJ-H系列採用比傳統機型小二分之一的最小型機身。不挑裝設位置的省空間設計,實現世界最高速静電消除。
    另外,針對想要對極小範圍進行靜電消除的客戶,KEYENCE另備有高性能的微型靜電消除器SJ-M系列

靜電消除器最重要的是要裝設在周圍沒有金屬等導體的位置。 因為若靜電消除器周圍有導體,可能會有以下兩項害處。

  1. 能到達靜電消除目標物的離子量變少,靜電消除速度變慢
  2. 能到達靜電消除目標物的離子量會隨著靜電被消除而變少,導致無法完全消除靜電

以下將個別說明其原理。

  1. 能到達靜電消除目標物的離子量變少,靜電消除速度變慢。

    若靜電消除器的裝設位置周圍有導體,導體內部會發生「靜電感應」,造成導體表面所帶的電,與電極針施加的高電壓極性相反的現象。如此一來,電極針所產生的離子會被吸引到導體表面,造成無法對靜電消除目標物供應充分的離子。

    正離子被工件吸引進而消除靜電
    正離子被工件吸引進而消除靜電
    若附近有媒介
    導體表面會帶負電,而正離子會被吸引到導體表面
    導體表面會帶負電,而正離子會被吸引到導體表面
    1. A:電極針
    2. B:對象工件
    3. C:若附近有導體
  2. 能到達靜電消除目標物的離子量會隨著靜電被消除而變少,導致無法完全消除靜電。

    當靜電消除目標物的帶電量較大時,離子被靜電消除目標物吸引的力量會比被導體吸引的力量還大,因此靜電消除器生成的離子會跑向靜電消除目標物並進行靜電消除。然而隨著目標物的靜電逐漸被消除,其帶電量變小後,導體吸引離子的力量變得比目標物強,造成離子無法到達目標物處而導致無法完全消除靜電。

    由於工件的帶電量較多,多數離子會被工件吸引
    由於工件的帶電量較多,多數離子會被工件吸引
    一旦帶電量變小
    隨著工件的帶電量逐漸變小,多數離子會被導體吸引
    隨著工件的帶電量逐漸變小,多數離子會被導體吸引
    1. A:一旦帶電量變小

    基於這些因素,一旦靜電消除器的周圍有導體存在,就無法有效對目標物完成靜電消除。因此裝設時請充分留意附近是否有導體。

導體表面出現與帶電物質的極性相反的電荷並相互吸引

導體表面出現與帶電物質的極性相反的電荷
並相互吸引

當電荷靠近導體,會因庫倫力而使導體(金屬)內部的自由電子向導體內部移動,使導體表面呈帶電狀態。此現象稱為「靜電感應」。

盡可能遠離導體才能降低被導體影響的程度,
KEYENCE的SJ-H系列是以下列條件作為參考基準。

  • 從針尖到導體距離150 mm以上
  • 距離靜電消除棒端面150 mm以上
  • 距離靜電消除棒厚度方向200 mm以上
靜電消除器與導體之間該保持多遠的距離
靜電消除器與導體之間該保持多遠的距離
*注)
以上是能將導體的影響降至最低限度的必要距離。
即使裝設位置比記載的距離更靠近仍可使用靜電消除器。

裝設靜電消除器時,基本上應裝設在周圍沒有導體的地方。但有時在某些狀況下,其裝設條件可能無法與導體保持足夠的距離。
即使遇到這類情況也盡可能與導體保持距離,將靜電消除能力降低的狀況減少到最低限度。

與導體之間的距離越遠,離子被吸引的力量就越弱。反之,與導體之間的距離越近,離子被吸引的力量越強,會有越多的離子被導體吸收。而此吸引力取決於距離的關係被稱為「庫倫定律」。

庫倫定律:

庫倫定律
Q₁、Q₂
帶電物質的電荷量
帶電物質之間的距離
ε
真空介電常數
F
吸引(排斥)力

此關係表達式代表帶電物體彼此之間作用力的關係。根據此公式可得知,吸引力與距離r的平方成反比。若距離拉長2倍,庫倫力(吸引力)就降到4分之1。若因裝設條件的關係,無論如何都無法避免在導體周圍使用,仍盡可能地讓靜電消除器與導體之間保持距離,將靜電消除能力下降的狀況減少到最低限度。

下列裝設範例介紹如何與導體之間拉長距離的方法。

【範例1】將靜電消除器傾斜安裝

  • 【範例1】將靜電消除器傾斜安裝
    1. A:靜電消除器
    2. B:導體
    3. C:對象工件
  • 【範例1】將靜電消除器傾斜安裝

    將靜電消除器傾斜安裝即可拉開
    與導體之間的距離

【範例2】將針尖裝設在導體之前

  • 【範例2】將針尖裝設在導體之前
  • 【範例2】將針尖裝設在導體之前

    只要將針尖裝設在導體前方
    ,就能保持更遠的距離

在中和狀態下呈現0 V
  1. A:在中和狀態下呈現0 V
  2. B:薄膜
  3. C:金屬滾筒

靜電消除目標物的周圍若有導體可能會無法進行靜電消除。
例如帶電的軟膜材料的底下若有金屬滾筒,金屬滾筒內將會產生「靜電感應」,金屬滾筒表面會聚集與帶電物極性相反的電荷。因此金屬滾筒附近的軟膜材料表面的靜電會因靜電感應而呈現與聚集的電荷結合的狀態(電荷中和的狀態),因此若將靜電消除器朝向此位置也無法達到消除靜電的效果。

由於電荷中和的地方其帶電量會呈現0 V,因此無法吸附靜電消除器所供應的離子,也無法消除靜電。若將靜電消除器裝設在通過呈現0 V的中和點之後,較能達到更佳的靜電消除效果。

由於呈現0 V的狀態,因此無法達到靜電消除效果 在周圍無導體的位置消除靜電能提升靜電消除效果!
  1. A:由於呈現0 V的狀態,因此無法達到靜電消除效果
  2. B:金屬滾筒
  3. C:薄膜
  4. D:在周圍無導體的位置消除靜電能提升靜電消除效果

重點

SJ-H系列採用Dual I.C.C.控制*,能實現更高速的靜電消除效果。
適用於移動速度快速的薄膜的靜電消除。

*補充 ~何謂Dual I.C.C.控制~

向來頗受好評的I.C.C.功能更加進化了。除了以往可改變脈衝寬度來控制離子生成量之外,還新加入可改變施加電壓的功能,讓每單位時間的離子生成量的控制範圍更廣。可配合溫度及濕度等環境因素造成的帶電量變化或電極針的狀態,實現最佳的靜電消除效果。

Dual I.C.C.控制的動作方式
Dual I.C.C.控制的動作方式

在運用靜電消除器時最重要的就是「靜電消除器的維護」。隨著靜電消除器的使用越長,靜電消除速度會變慢或離子平衡變差等,靜電消除能力會逐漸惡化。為了維持靜電消除能力,適當實施維護是必要的。

可能導致靜電消除器能力劣化的原因有以下兩項。

1) 電極針的磨損

因電極針磨損造成電極針尖端的電場強度變弱。如此將導致難以產生電暈放電。難以產生電暈放電是指離子的生成量降低,因此靜電消除速度也會變慢。此外,由於正、負極的電極針磨損量不同,離子的減少量也各有異,如此將導致離子平衡變差。

負極電極針的磨損
負極電極針
正極電極針的磨損
正極電極針

如上方照片所示,正極與負極的電極針的磨損量不同,離子的產生量也會隨之出現差異。因此,如DC方式或脈衝DC方式等正、負極的電極針分開的靜電消除器類型,會比AC方式或脈衝AC方式的靜電消除器更容易受到磨損而導致能力劣化的影響。

針尖磨損對靜電消除能力的影響
DC 脈衝DC AC 脈衝AC
× ×

2) 電極針的髒污

電極針因髒污導致電極針尖端的電場強度變弱。
如此將導致難以產生電暈放電,生成的離子量減少,使靜電消除速度變慢。
此外,如下方照片所示,正極與負極的髒污程度不同,離子平衡也會變差。

負極電極針的髒污
負極電極針
正極電極針的髒污
正極電極針

正極與負極的電極針上異物附著的程度不同,離子的產生量也會隨之出現差異。此情況與針尖磨損的情況相同,DC方式或脈衝DC方式等正、負極的電極針分開的靜電消除器類型,會比AC方式或脈衝AC方式的靜電消除器更容易受到針尖髒污而導致能力劣化的影響。

針尖磨損對靜電消除能力的影響
DC 脈衝DC AC 脈衝AC
× ×

雖然上述兩項為靜電消除器能力劣化的因素,但針尖磨損造成的影響較為長期(1至2年),相較之下針尖髒污的特徵則是短期(數週至數個月)且頻度較高。因此在靜電消除器的運用方面,比起防止磨損,避免針尖產生髒污更重要。

原因有以下2種。

1) 物理性因素

空氣中飄浮的粒子因帶電而被吸引到電極針周圍並附著。

2) 化學性因素

因電暈放電而產生離子時,雖然會對電極針周圍的空氣進行電離,但此時空氣中以氣體形態存在的矽氧烷(矽基物質)氧化,於電極針尖端部位析離出二氧化矽並附著於電極針尖端處。

產生正離子時,由於電子或帶負電的分子會撞擊電極針尖端,進而削除掉附著於電極針尖端的異物,因此附著量會變少。產生負離子時,在電極針尖端釋出電子之際,異物附著會朝釋出的方向增加,造成附著量變多。

如下圖所示,正極與負極的電極針尖端所發生的現象不同,將導致電極針髒污量不同的結果。如此一來不僅靜電消除速度會劣化,也會導致離子平衡惡化。

產生正離子時
產生正離子時

因撞擊而彈飛

產生負離子時
產生負離子時

無撞擊故堆積成結晶

此時負離子的產生量比正離子的產生量少,因此離子平衡會較傾向於正極側。

維護方法有以下2種。

1) 使用綿棒進行清潔

在棉花棒沾取IPA或乙醇的狀態下清潔針尖。

2) 使用超音波清洗機進行清洗

超音波清洗機也能進行電極針的清潔。尤其是一次清洗大量的電極針時十分方便。對電極針進行乾燥時,請在80℃的環境下放置約2小時左右。
清洗時請使用IPA(異丙醇)、乙醇或純水等液體清洗。
另外,KEYENCE針對最新的靜電消除器SJ-H系列備有專用的電極針清潔套組。使用專用清潔套組可大幅減少維護所需的工序與工時。

以往傳統的靜電消除器因為針尖會接觸到空氣,總是無法防止異物附著於針尖。針對此問題,KEYENCE最新的靜電消除棒SJ-H系列採用全新設計的「氣體護套導流結構」,成功減少了必要的維護次數。

■何謂氣體護套導流?

一般靜電消除器所供應的空氣會直接往前方推出,不會接觸到針尖。如此雖然能提升靜電消除能力,但卻沒有辦法有效防止針尖上附著異物。全新結構的氣體護套導流,會如同包覆電極針般將空氣往前推出,如此能有效防止異物附著於針尖處。空氣會經過很長的流道,形成非常均勻的層流。加上空氣出口的內凹結構能防止外部干擾,發揮超群的護套效果。

一般靜電消除器的電極針
一般靜電消除器的電極針
SJ-H系列的氣體護套導流
SJ-H系列的氣體護套導流

下方照片是SJ-H系列與傳統機種在相同環境下運作24小時、2.5個月後比較兩者電極針尖端的狀態。

SJ-H:針尖照片(150倍)
SJ-H:針尖照片(150倍)
傳統機種:針尖照片(150倍)
傳統機種:針尖照片(150倍)

從此照片可看出傳統機種的針尖有異物附著,但SJ-H系列的電極針則幾乎看不見有異物附著於針尖。

以下圖表是SJ-H與傳統機種長時間運作後的比較兩者靜電消除時間的數據。

SJ-H與傳統機種長時間運作後靜電消除時間的比較數據

傳統機種的靜電削除速度會隨著使用時間的經過而變慢。另一方面,SJ-H系列的靜電消除速度在經過2個月以上的使用後也完全沒有變化。

■氣體護套導流結構的優點

  1. 能防止電極針髒污,還能大幅減輕靜電消除能力的經時劣化
    →在長時間運作下也能維持高度能力
  2. 採用空氣包覆電極針的結構,可防止電極針髒污
    →比傳統機型節省維護成本達5倍以上
  3. 以均勻的層流包覆針尖,可減少針尖釋出附著物

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