除電器の安全装置

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【発明の名称】	除電器の安全装置
【発明者】	【氏名】土方康裕
【要約】	【課題】昇圧トランスの２次側の回路条件に依存せず、安定で感度の良い除電器の安全装置を得る。【解決手段】１次側が交流電源に接続された昇圧トランスと、この昇圧トランスの２次側の一端と同軸ケーブルを介して結合された放電電極と、この放電電極と対向するように配置されるとともに上記昇圧トランスの２次側の他端と接続された接地電極とを具備する除電器の安全装置であって、上記昇圧トランスの２次側の一端と接地間に流れる電流を検出する検出手段と、この検出手段の出力が一定値以上の時絶縁破壊または異常放電を警報する判定部を具備する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】１次側が交流電源に接続された昇圧トランスと、この昇圧トランスの２次側の一端と同軸ケーブルを介して結合された放電電極と、この放電電極と対向するように配置されるとともに上記昇圧トランスの２次側の他端と接続された接地電極とを具備する除電器の安全装置であって、上記昇圧トランスの２次側の一端と接地間に流れる電流を検出する検出手段と、この検出手段の出力が一定値以上の時絶縁破壊または異常放電を警報する判定部を具備する除電器の安全装置。
【請求項２】上記検出手段によって所定値以上の電流が検出されることにより、上記記昇圧トランスの１次側回路を遮断する短絡時遮断手段を具備することを特徴とする請求項１記載の除電器の安全装置。
【請求項３】上記検出手段は、コンデンサとパルストランスの一次巻線の直列回路で構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の除電器の安全装置。
【請求項４】上記昇圧トランスと上記コンデンサとを一体モールド化したことを特徴とする請求項３記載の除電器の安全装置。
【請求項５】上記検出手段は、上記昇圧トランスの２次側の一端と上記同軸ケーブル間に挿入された補助同軸ケーブルの浮遊容量と上記パルストランスの一次巻線の直列回路で構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の除電器の安全装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、静電気を帯びた物体の除電を行う除電器の安全装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイスは静電気により破壊されやすいため、その保管や製造工程において、静電気を除去する必要がある。このため、従来、上記半導体デバイスの製造工程等においては、図５に示すような原理の除電器が使用されていた。
【０００３】図５において、１は商用交流電源（１００Ｖ）、２は電源スイッチ、３は昇圧トランス、４は高圧ケーブルである。５は、接地電極６および放電電極７から成る除電電極であり、放電電極７は高圧ケーブル４の導体部分を介して昇圧トランス３の一端に接続されている。また、接地電極６は高圧ケーブル４の接地線を介して昇圧トランス３の他端と接続され、接地されている。また、８は、除電電極５と非接触な状態に対向された半導体デバイス等の帯電物体である。
【０００４】上記構成において、電源スイッチ２がオン状態になっている時は、商用交流電源１からの出力電圧（交流１００Ｖ）が昇圧トランス３を介して昇圧され、放電電極７に正または負の高電圧（例えば７ｋＶ）が交互に印加される。そして、放電電極７と接地電極６との間にコロナ放電が発生し、除電電極５の周囲の空気が正および負のイオンに交互にイオン化される。そして、帯電物体８の帯電電荷の極性に応じていずれかの極性のイオンが帯電物体８に引き寄せられ、帯電物体８の帯電電荷と再結合し、帯電電荷が中和される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した除電器は放電現象を利用しているので、装置の異常や周辺大気の状態により、異常な放電が起こる可能性がある。放電が異常になると、帯電物体の静電気が有効に除去されないばかりか、帯電物体、すなわち半導体デバイスの破壊を招くおそれがある。これに対する対策としては、従来より、以下のような手法が提案されている。
■昇圧トランス３の２次側と除電電極５との間に高抵抗またはコンデンサを接続し、異常放電による電流のレベルを抑える。
■高圧ケーブル４と放電電極７とを容量的に結合する。
■昇圧トランス３として、リーケージトランスを用いる。リーケージトランスは漏れリアクタンスが大であるので、負荷側、すなわち除電電極５に流れる電流が増大すると、２次側の電圧が低下する。
■２次側回路を流れる電流を監視し、異常になったら１次側回路を遮断する（実開昭６２－６４１３５号公報参照）。
【０００６】上記■～■の方法は、異常放電が発生した時に１次側回路、すなわち電源を遮断するものではなく、安全装置として十分であるとは言えない。また、上記■の方法は、異常放電が発生した時に電源が遮断されるが、以下のような欠点を有している。
■昇圧トランスと除電電極との間を感電の心配の無い同軸ケーブルで接続した場合等には、正常動作時に２次側回路を流れる電流レベルが高くなり、異常放電による電流の増加を感度良く検出することが困難になる。
■昇圧トランスの１次側回路の短絡や電源異常等により、過度の電流やサージ電圧が安全装置に印加されると、安全装置そのものが破壊する可能性がある。
【０００７】本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、昇圧トランスの２次側の回路条件に依存せず、安定で感度の良い除電器の安全装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、１次側が交流電源に接続された昇圧トランスと、この昇圧トランスの２次側の一端と同軸ケーブルを介して結合された放電電極と、この放電電極と対向するように配置されるとともに上記昇圧トランスの２次側の他端と接続された接地電極とを具備する除電器の安全装置であって、上記昇圧トランスの２次側の一端と接地間に流れる電流を検出する検出手段と、この検出手段の出力が一定値以上の時絶縁破壊または異常放電を警報する判定部を具備することを特徴としている。
【０００９】また、請求項２記載の発明にあっては、請求項１記載の発明において、上記検出手段によって所定値以上の電流が検出されることにより、上記昇圧トランスの１次側回路を遮断する短絡時遮断手段を具備することを特徴としている。
【００１０】また、請求項３記載の発明にあっては、請求項１または請求項２記載の発明において、前記検出手段はコンデンサ及びパルストランスの１次巻線の直列回路であることを特徴としている。
【００１１】また、請求項４記載の発明にあっては、請求項３記載の発明において、前記昇圧トランスと前記コンデンサとを一体にモールド化したことを特徴としている。
【００１２】また、請求項５記載の発明にあっては、上記検出手段は、請求項１または請求項２記載の発明において、上記昇圧トランスの２次側の一端と上記同軸ケーブル間に挿入された補助同軸ケーブルの浮遊容量と上記パルストランスの一次巻線の直列回路で構成されたことを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態における除電器の安全装置の構成を示す図であり、図４各部と共通する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図１において、３ａは昇圧トランス３に設けられた混触防止板である。１０は電源装置、１２は除電電極であり、両者は同軸ケーブル１１により接続されている。ここで、高圧ケーブルとして同軸ケーブル１１を使用した理由は、クリーンルーム等において人体に感電する危険を回避するためである。
【００１４】次に、除電電極１２の構成を、その具体的な構造を示す図（図４）を併せて参照しながら説明する。図４において、（Ａ）は正面図、また（Ｂ）は、正面図（Ａ）のＸ－Ｘ’方向における断面図である。図１，３に示すように、同軸ケーブル１１の中心導体部分の先端部分における所定の長さ分が高圧電極１３として使用されている。次に、図４における符号１７は、絶縁材料により中空円筒形状に構成された結合リングであり、その表面が真鍮等の導体で被覆されている。そして、該導体には針状の放電電極１４が突出している。
【００１５】上記結合リング１７は所定間隔毎に複数設けられ、その中空部分を絶縁性被覆１６で覆われた高圧電極１３が貫通している。すなわち、高圧電極１３と各放電電極１４とは、上述した絶縁部分を介して容量的に結合している。また、１８は、高圧電極１３および放電電極１４が突出した各結合リング１７を被覆するモールド部である。また、１９は、モールド部１８を覆うように設けられた別のモールド部であり、図４に示すような形態で接地電極１５が固定されるとともに、除電電極１２を一体化して保護する役目を担っている。
【００１６】次に、図１に示す電源装置１０における昇圧トランス３の１次側に設けられた安全遮断回路２０につき説明する。同安全遮断回路２０において、２１はホトカプラであり、互いに逆極性になるように並列に結合された発光ダイオード２２，２３、および、ホトトランジスタ２４から構成されている。図１に示すラインＬ１にいずれかの向きに異常操作電流ｉdが流れると、発光ダイオード２２，２３のいずれかが該異常操作電流ｉdの大きさに対応した発光強度で発光し、ホトトランジスタ２４に光電流が流れる。また、ホトトランジスタ２４には、図１に示すようにトランジスタ２５がダーリントン接続されており、該トランジスタ２５のコレクタ端子２５Ｃは直流電源２６の正極に接続されている。
【００１７】次に、３０，４０はそれぞれサーキットブレーカ（配線用遮断器）である。サーキットブレーカ３０における動作コイル３１は、その一端が上記直流電源２６の負極に、また、他端が上記トランジスタ２５のエミッタ端子２５Ｅに接続されている。動作コイル３１は、自身に流れる電流、すなわち、上記ホトカプラ２１およびトランジスタ２５により増幅された電流の大きさに基づく電磁力を発生し、該電流が所定以上の大きさになると、サーキットブレーカ３０の主接点３２がオン状態からオフ状態に切り換わる。これにより、昇圧トランス３の１次側回路が遮断される。
【００１８】また、サーキットブレーカ４０においては、動作コイル４１に所定量以上の電流が流れると、接点４２がオン状態からオフ状態に切り換えられるようになっている。ここで、正常動作時の昇圧トランス３の１次側電流をｉ3_1、２次側回路短絡時の同１次側電流をｉ3_1s とすると、上記所定量の電流、すなわち、サーキットブレーカ４０のトリップ電流ｉ40 は、ｉ3_1 ＜ｉ40 ＜ｉ3_1s ……（１）
となるように設定されている。すなわち、同軸ケーブルの絶縁破壊等により昇圧トランス３の２次側回路が短絡した場合、接点４２がオフ状態になり、昇圧トランス３の１次側回路が遮断される。
【００１９】また、サーキットブレーカ３０および４０の両方がオン状態の時に、サーキットブレーカ３０がオフ状態になればサーキットブレーカ４０がオフ状態になり、また、サーキットブレーカ４０がオフ状態になればサーキットブレーカ３０がオフ状態になるように、両サーキットブレーカの接点は機械的に結合されている。すなわち、上述した異常操作電流ｉdの発生および２次側回路短絡のうち、少なくともいずれかが検出されれば、１次側回路が遮断されるようになっている。
【００２０】上記構成において、除電電極１２の下方に、これと非接触な状態に被除電物体（以後、帯電物体ＥＯと呼ぶ）を対置し、電源スイッチ２をオン状態にしたとする。これにより、商用交流電源１の出力電圧が昇圧トランス３を介して例えば７ｋＶに昇圧された低周波の高電圧が同軸ケーブル１１を介して高圧電極１３に印加される。そして、該高圧電極１３と容量結合された放電電極１４と接地電極１５との間でコロナ放電が発生し、除電電極１２の周囲の空気が正イオンおよび負イオンに交互にイオン化される。このコロナ放電により、昇圧トランス３の２次側回路を環流する放電電流ｉ1が発生する。また、この放電電流ｉ1には、同軸ケーブル１１のもれ電流も含まれる。
【００２１】ここで、除電電極１２に対置された帯電物体ＥＯが正の電荷を帯びていたとすると、上記コロナ放電により発生した負イオンが帯電物体ＥＯに引き寄せられ、帯電物体ＥＯの帯電電荷が中和される。この除電過程において、除電電極１２の周囲には正イオンが過剰となり、過剰となった正イオンが接地電極１５に引き寄せられる。これにより、昇圧トランス３の２次側回路には除電電流ｉ2が発生する。
【００２２】次に、２次側回路に設けられた異常警報回路５０につき説明する。５１はパルストランスであり、その１次巻線の一端は接地され、他端はコンデンサ５８を介して昇圧トランス３の２次巻き線の一端に接続され、これを流れる電流ｉsを監視する。
【００２３】パルストランス５１の２次側に発生する電流は、ダイオード５２、コンデンサ５３と抵抗５４との並列回路よりなる整流平滑回路ににより直流電圧Ｅsに変換される。５５はＥsを一定倍増幅する増幅器であり、その出力Ｅoが絶縁破壊判定部５６および異常放電判定部５７に導かれる。
【００２４】絶縁破壊判定部５６は、絶縁破壊が発生したときに得られる増幅器出力Ｅoのレベルと設定値Ｅo1とを比較し、絶縁破壊警報出力ＡＬ１を発生すると共にホトカプラ２１に操作電流ｉdを供給し、サーキットブレーカ３０、４０を作動させる。即ち、絶縁破壊については１次側電流の増加を監視して作動するサーキットブレーカ４０との２重安全構成となっている。
【００２５】異常放電判定部５７は、異常放電が発生したときに得られる増幅器出力Ｅoのレベルと設定値Ｅo2とを比較し、異常放電壊警報出力ＡＬ２を発生すると共にホトカプラ２１に操作電流ｉdを供給し、サーキットブレーカ３０、４０を作動させる。
【００２６】次に、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の等価回路図に基づき、各異常パターンにおける異常電流検出方法について説明する。各図において、Ｃsはコンデンサ５８の容量、Ｖ２は２次側電圧である。図３（Ａ）は、高圧電極１３と接地電極１５が短絡する絶縁破壊のパターンであり、短絡パルス電流ｉ3の一部として容量Ｃsの充電電荷がパルストランス５１を流れる。
【００２７】図３（Ｂ）は、複数の放電電極１４（図示では３個）が短絡し、高圧電極との間の容量が増大（３Ｃa）し、このインピーダンスを介して放電する異常放電パターンであり、短絡パルス電流ｉ4の一部としてとして容量Ｃsの充電電荷がパルストランス５１を流れる。正常な場合は、各放電電極から接地電極への放電はランダムに発生し、見かけ上のインピーダンスはきわめて大きいため、放電電流は極めて小さく、異常電流との識別が容易である。
【００２８】図３（Ｃ）は、接地電位を有する導体６０が放電電極１４に接近した場合に発生するパターンであり、パルス電流ｉ5の一部として容量Ｃsの充電電荷がパルストランス５１を流れる。
【００２９】このように、上述した実施例によれば、昇圧トランスの２次巻き線の一端と接地電位間に発生する異常パルス電流（ｉ3 、ｉ4 、ｉ5 ）を監視しているので、昇圧トランスの２次側回路を流れる電流（放電電流ｉ1 ＋除電電流ｉ2 ）を監視する場合に比べて高感度であり、あらゆるパターンの異常放電を検知することができる。また、同様の理由により、安全遮断回路が２次側回路の特性、例えば同軸ケーブル１１のもれ電流等の影響を受けることがなく、電源電圧や周波数の変化の影響を受けない安全装置を得ることができる。
【００３０】また、電流検出素子としてパルストランスを使用する事により、昇圧トランス３の１次側回路と２次側回路とを絶縁した安全装置とすることができ、装置の信頼性が高い。また、昇圧トランス３の１次側回路を遮断する手段としてサーキットブレーカを使用したため、遮断手段としてリレーやサイリスタ等を使用した安全装置に比べて過電流や過電圧に強く、安全装置としての信頼性が高い。
【００３１】また、パルストランス５１の１次巻線の流れる電流は、コンデンサ５８の容量と比例関係にある。従って、この容量により検出感度を最適に設定することが可能であり、監視の信頼性を向上することができる。
【００３２】さらに、図１の点線のブロックで示すように、昇圧トランス３とコンデンサ５８とを一体モールド５９とすることにより、高圧部の保護が可能であり、安全性の向上に貢献することができる。
【００３３】図２は、本発明を適用した他の実施例を示す。この実施例では、昇圧トランス３の２次側の一端と同軸ケーブル１１の間にシールド被覆を接地しない補助同軸ケーブル６１が挿入さ、この補助同軸ケーブル６１の芯線とシールド被覆の浮遊容量Ｃｓとパルストランス５１の一次巻線の直列回路により昇圧トランス３の２次側の一端と接地間に流れる電流を検出するようにしたものである。
【００３４】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれば、昇圧トランスの２次側の一端と接地間に流れる電流を検出することにより昇圧トランスの１次側回路を遮断するようにしたので、昇圧トランスの２次側の回路条件に依存せず、安定で感度の良い除電器の安全装置を得ることができる。従って、異常放電を早期にかつ確実に停止させ、帯電物体を破壊等から守ることができる。

【出願人】	【識別番号】０００２３２３５７【氏名又は名称】横河電子機器株式会社
【出願日】	平成１２年１１月３０日（２０００．１１．３０）
【代理人】	【識別番号】１０００６４９０８【弁理士】【氏名又は名称】志賀正武（外６名）
【公開番号】	特開２００２－１７０６９７（Ｐ２００２－１７０６９７Ａ）
【公開日】	平成１４年６月１４日（２００２．６．１４）
【出願番号】	特願２０００－３６５２９８（Ｐ２０００－３６５２９８）