静電気計測の基本がわかる！表面電位計・電界強度計の原理と使い分け
製造現場において、静電気は避けて通れない課題です。
製品への塵埃付着、電子部品の静電気放電（ESD）による破壊・故障、さらには可燃性ガスの着火・爆発事故など、静電気に起因するトラブルは多岐にわたります。これらの問題を未然に防ぎ、あるいは発生したトラブルの原因を究明するためには、目に見えない静電気を「数値化」して把握する計測技術が不可欠です。
本記事では、静電気計測に用いられる「表面電位計」と「電界強度計」を取り上げます。静電誘導を利用した非接触計測の基本から、電界強度を表面電位に換算する方式、DCフィードバック型表面電位計、回転セクタ方式（フィールドミル）まで、それぞれの特徴と実務における使い分けを解説します。技術者や現場担当者、理工系の学生の方々が、静電気計測の基礎を理解し、実際の測定や機器選定に役立てられる内容を目指します。
１．静電気計測の重要性と計測器の役割
現代の製造業において、微細化と高速化が進む中、静電気の影響力は相対的に増大しています。
計測器を正しく使いこなすための前提として、まずは計測がなぜ必要なのか、その目的を整理します。
（1）製造現場における静電気のリスク
静電気による帯電は、異なる物体の接触・摩擦・剥離などによって電荷が移動し、物体に正または負の電荷が偏ることで生じます。この帯電状態を放置すると、クーロン力によって微細なゴミが製品に吸着し、塗装不良やフィルムの外観・品質不良、半導体のパターン欠陥を引き起こします。
また、帯電した物体と、異なる電位にある物体や人体との間で発生する静電放電は、電子部品の誤動作や性能劣化、即時故障、さらには潜在的な損傷を引き起こすだけでなく、防爆エリアでは爆発性雰囲気の着火源となる可能性もあります。これらのリスクを管理するためには、「どこが、どの程度帯電しているか」を、表面電位や電界強度として把握する必要があります。
【図1 静電気のリスク】
（2）計測によって得られる情報の活用
計測によって得られた数値（電位や電界強度）は、除電器（イオナイザ）の設置場所の検討、実際のワークにおける除電前後の帯電状態の確認、帯電防止材料の性能評価などに使用されます。
単に「バチッとするから対策する」といった経験則に頼るのではなく、定量的なデータに基づいて対策を検討することで、歩留まりの改善や安全性の向上を合理的に進められます。
２．非接触式表面電位測定の原理と特徴
本記事で扱う非接触式の「表面電位計」は、帯電した対象物の表面電位を、対象物に触れずに把握するための計測器です。
ただし、市販されている「表面電位計」が、すべて同じ原理で電位を測定しているわけではありません。帯電物がつくる電界を検出し、所定の測定距離を前提として電位に換算するタイプと、検出した電界をフィードバックによって打ち消し、その補償電圧から表面電位を求めるタイプがあります。
まずは、両者に共通する静電誘導と、電界を電気信号として検出する仕組みを確認します。
（1）静電誘導を利用した非接触計測
非接触式の静電気測定器では、帯電した対象物がつくる電界を、センサーの検出電極によって捉えます。
図2のように、正に帯電した対象物をセンサーへ近づけると、静電誘導によって検出電極内の電子が対象物側へ引き寄せられます。その結果、反対側には相対的に正の電荷が現れ、検出電極内に電荷の偏りが生じます。計測器は、この誘導電荷によって生じる微弱な電気信号を検出し、対象物の帯電状態を測定します。
この方式では、対象物に直接触れないため、測定によって対象物の帯電状態を大きく変化させずに計測できるという利点があります。
【図2 非接触式表面電位計の動作原理】
図2は、静電誘導によって検出電極に電荷の偏りが生じる基本原理を示したものです。実際の計測器では、一定の電界を安定した電気信号として取り出すため、検出電極や遮蔽板を周期的に動かす方式などが用いられます。
（2）振動容量型センサーによる信号検出
振動容量型センサーでは、図3のように、検出電極を対象物に対して周期的に振動させます。
対象物と検出電極との距離が変化すると、両者の間の静電容量も周期的に変化します。電極が対象物へ近づくと静電容量は大きくなり、遠ざかると小さくなります。帯電した対象物の電位が一定であっても、静電容量が変化すると、検出電極に生じる誘導電荷も変化します。この変化を、振動周期と同じ周期を持つ交流信号として取り出します。
交流信号の大きさや位相を処理することで、対象物がつくる電界の強さや極性を求めることができます。
【図3 振動電極法の動作原理】
図3が示しているのは、直流的な静電界を交流信号へ変換して検出する仕組みです。対象物の表面電位をどのように算出するかは、その後段の測定方式によって異なります。
（3）表面電位の求め方
振動容量型センサーなどを利用した非接触式の表面電位測定には複数の方式があります。
本記事では、代表例として次の2つを取り上げます。
① 電界強度から電位へ換算する方式
この方式では、センサーが検出した電界強度と、センサーから対象物までの距離を基に、対象物の表面電位を換算します。この換算には、後述する電界強度と電位差の関係を利用します。
一般的なハンディ型の表面電位計には、この方式を採用しているものが多くあります。簡便に測定できる一方、測定距離、対象物の大きさや形状、周囲の金属物などの影響を受けます。
② DCフィードバック型表面電位計
DCフィードバック型表面電位計では、検出信号に基づいてプローブへ補償電圧を加え、測定対象面とプローブとの間の電界がゼロになるように制御します。
電界を打ち消すために必要となった補償電圧は、対象物の表面電位に対応します。そのため、電界強度を距離から単純に換算する方式に比べて、対象物の電位をより直接的に求めることができます。
規定された測定条件の範囲内では、測定距離の変化による影響を抑えやすく、高い精度や空間分解能が必要な研究開発、材料評価などに用いられます。ただし、性能や測定可能な距離範囲は機種によって異なるため、使用時には仕様書を確認する必要があります。
（参考）海外での呼称について
海外メーカーの資料では、DCフィードバック型表面電位計の測定原理について、「field-nulling technique」と表記される例があります。これは、測定対象面とプローブとの電位差がなくなるようにプローブ電位をフィードバック制御し、両者間の電界を打ち消して表面電位を測定する方式を指します。
なお、海外ではDCフィードバック方式とは異なる「AC-feedback electrostatic voltmeter」も製品化されていますが、その測定原理はDCフィードバック方式とは異なります。
（4）測定距離の影響
電界強度から表面電位へ換算するタイプでは、センサーと対象物との距離が測定結果に大きく影響します。
図4の例では、メーカーが指定した基準距離付近では規定精度内の表示値が得られますが、センサーを対象物に近づけすぎたり、遠ざけすぎたりすると、表示値の誤差が大きくなります。
【図4 固定距離で電位換算する表面電位計における測定距離の影響】
距離が変化すると、検出電極に入る電気力線の量や、センサーが捉える対象範囲が変化します。さらに、対象物がセンサーの検出範囲より小さい場合には、実際より低い電位が表示されることがあります。
製品によっては、レーザーやLEDによって適正な測定距離を示す機能や、設定した測定距離に応じて表示値を補正する機能が搭載されています。ただし、基準距離や許容範囲、補正機能の有無は機種によって異なります。信頼性の高い測定を行うためには、メーカーが指定する距離と測定条件を守ることが重要です。
３．電界強度計（電界計）の原理と特徴
「電界強度計」は、センサーが置かれた位置における電界の強さを測定する機器です。
表面電位計として流通している機器の中にも、電界を測定し、所定の距離を基に電位へ換算するものがあります。一方、電界強度計として使用する場合は、測定値をV/mやkV/mなどの単位で表示し、その位置における電界の状態を評価します。
（1）回転セクタ方式（フィールドミル）の仕組み
直流電界を測定する代表的な方式の一つに、「フィールドミル」と呼ばれる回転セクタ方式があります。
図5のように、フィールドミルでは、固定された検出電極の前面に、開口部を持つ回転シャッターを配置します。
シャッターが回転すると、検出電極が対象物の電界にさらされる「露出状態」と、シャッターによって電界から遮蔽される「遮蔽状態」が周期的に繰り返されます。露出状態では、静電誘導によって検出電極に誘導電荷が生じます。遮蔽状態になると、検出電極に入る電界が弱まり、誘導電荷も変化します。この誘導電荷の周期的な変化を交流信号として取り出し、増幅器やフィルタで処理した後、その大きさから電界強度を算出します。
【図5 回転セクタ方式の電界強度計】
振動容量型センサーが検出電極を振動させるのに対し、フィールドミルでは、検出電極そのものは固定し、前面のシャッターを回転させて電界を周期的に遮蔽します。
どちらも、一定の直流電界を交流信号へ変換して検出するという点では共通しています。
（2）電界強度と電位差の関係
電界強度は、電位の空間的な変化の大きさに対応する量です。一般に、距離に対する電位の変化が大きい場所ほど、電界が強くなります。
平行平板間のように、電界がほぼ一様である場合には、電界強度 E、2点間の電位差 ΔV、距離 d の関係を、おおよそ次のように表せます。
対象物とセンサーの配置をこのモデルに近似でき、基準電位との関係が明確な場合には、測定した電界強度と距離から、基準電位に対する対象物の表面電位を換算できます。
ただし、実際の製造現場では、対象物が曲面や突起を持っていたり、周囲に金属製の設備や作業者が存在したりするため、電界は一様にはなりません。
そのため、単純に ΔV=Ed を適用しても、正確な表面電位が得られない場合があります。
（3）固定位置での連続モニタリング
電界強度計は、センサーを固定して、特定位置における電界の変化を継続的に測定する用途に適しています。
例えば、ウェブやフィルムの搬送ラインでは、一定の位置にセンサーを設置することで、その位置を通過する対象物の帯電状態を連続的に監視できます。帯電状態の急激な変化や、除電設備の異常の兆候を把握するための工程管理にも活用できます。
ただし、電界強度計が測定するのは、センサーが置かれた位置に到達する電界であり、検出範囲内の対象物や周囲の構造物の影響を受けます。工場や部屋の空間全体を、一台で一括して測定するものではありません。
また、対象物から遠ざかるほど検出範囲は広くなる一方、局所的な帯電箇所を特定する能力は低下します。周囲の金属構造物や作業者によって電界分布が変化することもあるため、設置位置や周辺環境を一定に保つことが重要です。
４．各方式の違いと選定基準
市販の非接触式表面電位計には、電界を測定し、所定の測定距離を基に表面電位へ換算する方式や、プローブへ電圧をフィードバックして表面電位を求めるDCフィードバック方式などがあります。
また、フィールドミル方式の電界強度計は、主としてセンサー位置における電界強度を測定します。
（1）測定している量と表示値の違い
- 電界強度換算方式の表面電位計：
帯電物による電界を検出し、指定された測定距離を前提として表面電位へ換算します。ハンディ型が多く、製造現場で対象物の帯電状態を手軽に確認する用途に適しています。ただし、測定距離や対象物の大きさ、形状、周囲の導体の影響を受けやすい点に注意が必要です。 - DCフィードバック型表面電位計：
センサー側から補償電圧を加え、対象物との間の電界がゼロになるように制御します。その補償電圧から、対象物の表面電位を求めます。高い精度や空間分解能が必要な材料評価、研究開発、装置内の局所的な電位測定などに適しています。 - フィールドミル方式の電界強度計：
回転シャッターによって検出電極を電界に露出・遮蔽し、誘導電荷の変化から電界強度を測定します。固定位置における直流電界の連続監視や、設備周辺の電界測定などに適しています。表面電位を直接測定するものではなく、対象物までの距離や電界分布が分からなければ、正確な表面電位には換算できません。
（2）測定距離・対象範囲・精度・応答速度
測定距離と検出範囲は、計測器の方式や機種によって異なります。
電界強度から表面電位へ換算する方式では、メーカーが指定する測定距離を守る必要があります。距離が変わると表示値だけでなく検出範囲も変化し、対象物が検出範囲より小さい場合には、実際より低い値が表示されることがあります。
一方、DCフィードバック型表面電位計には、規定された範囲内であれば、測定距離の変化による影響を抑えられる機種があります。
一般に、DCフィードバック型表面電位計は、電界から電位を換算する方式よりも、高い精度や空間分解能を得やすい傾向があります。ただし、測定精度や応答速度は機種によって大きく異なります。選定時には、仕様書に記載された測定精度、応答時間、測定距離、検出範囲を確認する必要があります。
（3）用途別の使い分けガイドライン
以下の表に、代表的な用途と推奨される計測器の対応をまとめました。
【表1 用途別 測定器比較】
| 測定器・方式 | 主な用途 | 選定理由・注意点 |
| 電界強度換算方式の表面電位計 | フィルム、樹脂部品、電子部品などの帯電確認 | ハンディ型が多く、現場で簡便に測定できる。指定距離、対象物の大きさ、周囲の金属物の影響に注意する |
| 実ワークの除電前後の確認 | 除電前後の表面電位を比較できる。除電器自体の性能評価とは区別する | |
| DCフィードバック型表面電位計 | 材料の帯電特性や帯電減衰の評価 | 微小な電位変化や局所的な表面電位を高精度に測定しやすい |
| 研究開発、精密工程の電位測定 | 高い精度や空間分解能が求められる測定に適する | |
| フィールドミル方式の電界強度計 | フィルム搬送ラインなどの連続監視 | 固定位置における電界の時間変化を継続的に測定できる |
| 設備周辺や屋外の直流電界測定 | 空間電界を測定する用途に適する。表面電位への換算には距離や形状などの条件が必要 |
除電器そのものの性能を評価する場合は、チャージプレートモニタなどを用いて、除電時間やオフセット電圧（イオンバランス）を測定します。
静電気測定器を選定する際は、次の条件を整理したうえで、仕様書を比較することが重要です。
- 表面電位と電界強度のどちらを測定したいか
- 局所的な帯電箇所を把握したいか、固定位置における時間変化を連続監視したいか
- 対象物へどの程度近づけられるか
- 必要な精度、空間分解能、応答速度
- ハンディ測定か、固定設置による連続監視か
５．正確な計測のための注意点とノウハウ
信頼性の高い測定結果を得るためには、メーカーが指定する測定距離を守るとともに、計測器の接地条件や周囲の環境を適切に管理する必要があります。
（1）測定距離と接地条件の確認
非接触式の静電気測定器では、センサーと対象物との距離や、計測器の接地条件が測定値に影響します。電界強度から表面電位へ換算するタイプでは、メーカーが指定する測定距離を守り、レーザーやLEDなどの距離ガイドがある場合は、それを利用して測定位置を合わせます。
また、正確な測定に必要な接地方法は機種によって異なります。接地端子や接地線を使用する機器では、取扱説明書に従って確実に接地してください。ハンディ型についても、導電性ケースの保持方法や使用者の接地方法など、メーカーが指定する測定手順を守ることが重要です。
【図6 非接触式静電気測定器を使用する際の注意点】
※指定測定距離、接地方法、測定範囲、距離補正機能の有無は機種によって異なります。使用時は各製品の取扱説明書を確認してください。
（2）周囲の金属物や温湿度の影響
静電気は周囲の環境に敏感です。センサーの近くに金属板や作業者の手があると、電界分布が歪み、測定値が実際よりも低く出たり、逆に高く出たりすることがあります。
また、湿度は、物体の帯電しやすさや電荷の漏洩に大きく影響します。乾燥した時期と湿度の高い時期とでは、同じ製造ラインでも帯電状態が大きく変化することがあります。そのため、計測時には、測定対象の近くにおける温度と湿度も併せて記録することが重要です。
（3）定期的な校正の必要性
静電気計測器は、内部のセンサーや回路の経年変化、検出部の汚れなどによって、測定値が変化する可能性があります。
校正周期は、メーカーの推奨、社内の計測器管理基準、使用頻度、使用環境、過去の校正結果などを踏まえて設定します。品質保証上必要な場合は、メーカーまたは適切な校正機関による校正を行い、測定結果のトレーサビリティを確保します。日常点検として、メーカーが指定する確認用電極や電圧源を用いて表示値を確認することで、異常の早期発見につながります。ただし、この確認は正式な校正とは区別する必要があります。
６．まとめ
静電気計測では、測定したい量や対象物との距離、対象範囲、必要な精度や応答速度に応じて、適切な計測器を選定する必要があります。
一般的なハンディ型の表面電位計には、帯電物がつくる電界を検出し、指定された測定距離を基に表面電位へ換算するものがあります。現場で簡便に帯電状態を確認できる一方、測定距離や対象物の大きさ、形状、周囲の金属物などの影響を受けるため、指定された測定条件を守ることが重要です。
DCフィードバック型表面電位計は、対象物との間の電界を打ち消すために加えた補償電圧から表面電位を求めます。高い精度や空間分解能が必要な材料評価、研究開発、精密工程などに適しています。
一方、フィールドミル型の電界強度計は、回転シャッターによって直流電界を交流信号へ変換し、センサー位置における電界強度を測定します。フィルム搬送ラインなどにおける固定位置での連続監視や、設備周辺の電界測定に利用されます。
静電気は目に見えませんが、適切な計測器を選定し、測定距離、接地条件、周辺環境などを適切に管理することで、帯電状態を定量的に把握できます。得られた測定結果を静電気対策や工程管理に活用し、品質向上と安全確保につなげることが重要です。本記事が、その一助となれば幸いです。
（日本アイアール株式会社 特許調査部 Y・K）
《引用文献、参考文献》
- 1） 一般社団法人 静電気学会（静電気ハンドブック等）
- 2） 独立行政法人 労働者健康安全機構 労働安全衛生総合研究所（静電気安全指針）
https://www.jniosh.johas.go.jp/publication/doc/tr/TR_No42.pdf - 3） JIS C 61340-5-1（静電気現象からの電子デバイスの保護 – 一般要求事項）
- 4） RCJS-5-1(第 3 版):2016（静電気現象からの電子デバイスの保護－一般要求事項）規格発行に寄せて 日本電子部品信頼性センター）
https://rcj.or.jp/wordpress/wp-content/uploads/RCJS-5-1-3rd-edition.pdf - 5） Advanced Energy社（WEBサイト） Trek 370 Series データシート
