制御盤の中でリレーが一枚だけ原因不明で壊れる。プラスチックの粉を扱う充填ラインで、なぜかその工程だけ火花のような光を見たという作業者の証言がある。どちらも「たまたま」で片づけられがちだが、労働安全衛生総合研究所の技術指針「静電気安全指針2007」は、粉体を扱う事業場でホッパーやサイロへの充塡中に静電気放電が起点となり、粉じん爆発が二次・三次爆発へと連鎖して大惨事に至った例があることを指摘している。爆発とまではいかなくても、静電気は日常的に生産現場の中で起き続けている。厄介なのは、それが「見えない」ことだ。
アースを取っているのに、なぜ壊れるのか
「うちの盤はちゃんとアースを取っているから、静電気の心配はない」——これは半分正しく、半分間違っている。接地は静電気対策の基本中の基本には違いない。ただし接地が効くのは、電荷が流れる道筋を持つ物質、つまり金属のような導体に対してだけである。プラスチックのケース、粉体そのもの、絶縁性の液体やフィルムは、接地端子を取り付けたところで電荷の逃げ道にはならない。同指針は不導体を「体積抵抗率が108Ω・m以上で、電荷緩和がほとんど期待できない物質」と定義し、接地して効果のある物体からはっきりと区別している。つまり「接地している」という安心感と、「その対象が本当に接地で効く物質か」という判定は、まったく別の話なのである。
静電気はどうやって生まれるのか
静電気の発生源は、たいてい摩擦だと思われている。実際には摩擦そのものより、二つの物体が接触し、そして引き離されることの方が本質に近い。異なる二つの物質が接触すると、その界面でわずかに電荷が移動し、電気的に中性なままの「電気二重層」ができる。ここまではまだ帯電していない。問題は、この二つの物体を引き離した瞬間である。界面にあった電荷がそれぞれの物体の表面に取り残され、片方が正、もう片方が負に偏る。これが静電気の正体だ。
ロールに巻かれたフィルムが引き出されるときの剥離帯電、粉体が配管の中を流れるときの摩擦帯電、液体がパイプを流れるときの流動帯電——現象名は違っても、根っこにあるのは同じ「接触してから分離する」という一つの物理現象である。発生した電荷は、その物体の漏洩抵抗が高いほど逃げずに蓄積し、蓄積量がある閾値を超えると、周囲の空気の絶縁が破れて放電する。これが静電気放電であり、火花放電・ブラシ放電・コロナ放電・沿面放電といった種類に分かれる。
静電気が引き起こす3つの被害
静電気放電が引き起こす実害は、大きく3種類に整理できる。
可燃性ガス・粉じんへの引火・爆発
もっとも重大な被害である。可燃性のガスや粉じんが空気中に一定濃度以上で漂っているところに、静電気放電が着火源として作用すると爆発・火災に至る。特に粉体プラントでは、粉じんが微粒子化するほど着火しやすくなり、いったん爆発すると堆積していた粉体が舞い上がって二次・三次の爆発を連鎖させることがあると同指針は警告している。
電子部品の静電破壊（ESD）
帯電した静電気が放電すると、通常よりはるかに大きな電流が瞬間的に流れ、その熱で回路が壊れる。これが静電破壊(ESD)である。厄介なのは、人が痛みとして自覚できる帯電電圧がおおむね数kV以上なのに対し、半導体業界の管理基準は±100V以下、磁気ヘッド系ではさらに厳しくMRヘッドで±10V以下とされている点だ（キーエンス）。作業者が「何も感じなかった」瞬間に、部品はすでに壊れている。原因不明の初期不良や、現場では再現しない基板故障の背後に、この静電破壊が隠れていることは少なくない。
生産設備の誤動作
静電気は電気的な力(クーロン力)として、軽い物体を引き寄せたり反発させたりする。帯電したフィルムやシートがセンサーに貼り付いて誤検知を起こす、粉体が壁面に付着して計量誤差を生む、紙葉が搬送中に吸い付いて詰まる——こうした生産障害も、静電気が原因であることが多い。爆発や部品破壊ほど劇的ではない分、原因究明が後回しにされやすいトラブルでもある。
「接地すれば静電気は防げる」という誤解の正体
改めて核心に戻る。接地・ボンディングは、静電気対策の中でもっとも基本的で、もっとも効果が大きい対策であることに変わりはない。ただしそれは、対象が導体である場合に限られる。同指針が示す基準はかなり明確で、静電気対策として接地して効果があるのは体積抵抗率が108Ω・m以下、表面抵抗率が1010Ω以下の物質だ。金属製の容器・配管・ホッパーはこの条件を満たすので、すべて接地・ボンディングすればよい。
一方、プラスチックの袋やパイプ、絶縁性のコーティングを施したタンク、そして粉体そのものは、この基準の外側にある。同指針ははっきりと「不導体は接地をしても電荷緩和がほとんどないので接地の効果がない」と述べている。現場でよくある誤りは、絶縁性のホースやプラスチック容器に「念のため」アース線を巻き付けて満足してしまうことだ。導電性の材料に置き換える、帯電防止剤を添加する、金属の網や細線で覆って静電遮へいする、除電器を使う——不導体に対しては、こうした接地以外の手段を組み合わせる必要がある。
感電防止の接地と、静電気対策の接地は別物
この違いは、電気工事で馴染み深いD種接地と比べるとわかりやすい。D種接地は300V以下の低圧機器の金属製外箱やコンセントのアース端子に施す接地で、目的は漏電時に人体が受ける接触電圧を安全な範囲に抑えることにある。要求される接地抵抗は100Ω以下(漏電遮断器設置時は500Ω以下)と、かなり厳しい。
静電気対策としての接地は、この基準とは別の物差しで測られる。目的は人体保護ではなく、帯電した物体自身の電荷を大地に逃がして蓄積させないことにある。静電気の発生電流はもともと極めて小さいため、要求される抵抗値もD種接地よりずっと緩く、人以外の導体では漏洩抵抗106Ω以下、接地極の抵抗は1000Ω以下で足りるとされている。既設の電気設備用接地を静電気対策の接地極として共用すること自体は認められているが、「なぜD種は100Ω以下なのに静電気対策は106Ωまで許されるのか」を理解しておかないと、過剰品質を求めて無駄なコストをかけたり、逆に対象を見誤ったりしやすい。両者は数字の厳しさで優劣を比べるものではなく、そもそも守ろうとしている相手が違う。
湿度管理がなぜ効くのか
冬場に静電気対策の話をすると、まず出てくるのが「加湿すればいいのでは」という発想である。これは間違いではないが、効く相手を選ぶ。空気中の水分は、吸湿性のある不導体の表面にごく薄い水の膜を作り、その水分を通じて電荷がゆっくり大地や周囲に逃げていく道筋を作る。同指針は、相対湿度を50〜65%程度に保つことで、この電荷緩和を促進できるとしている。
ただし万能ではない。粉体の帯電は、この程度の加湿では緩和されにくく、70%以上というかなり高い相対湿度が必要とされる上、それが有効なのは低速の空気輸送や常温のプロセスに限られる。逆に、不導体に塗布する帯電防止剤は湿度が高いほど効くわけではなく、相対湿度40〜50%を下回ると効果が落ちるという性質を持つ。加湿は「静電気対策の万能薬」ではなく、「電荷が逃げる道を、水分という形で用意する」一つの手段にすぎない。
除電器（イオナイザー）の仕組みと使いどころ
接地でも加湿でも電荷を減らしきれない不導体には、除電器(イオナイザー)が使われる。代表的な方式である電圧印加式は、放電電極に高電圧を印加してコロナ放電を起こし、空気を電離させて正・負のイオンを生成する。このイオンが帯電物体の電界によるクーロン力で引き寄せられ、物体表面の余分な電荷を中和する(春日電機)。ほかに、接地した針電極でイオンを発生させる自己放電式、放射性同位元素の電離作用を使う放射線式、軟X線を利用する軟X線式がある。
注意したいのは、除電器はあくまで他の対策と組み合わせて使うのが前提で、単独でリスクを下げ切る道具ではないという点だ。しかも除電器自体が放電源である以上、可燃性雰囲気のある危険場所で使う場合は防爆型を選ぶか、換気などで爆発性雰囲気そのものを作らない対策と併用する必要がある(同指針)。「除電器を置いたから安心」ではなく、「除電器はどの対策の穴を埋めているのか」を意識して選定することが実務では欠かせない。
静電気対策が特に必要な現場
- 粉体プラント: 樹脂ペレットや金属粉、粉末原料をホッパー・サイロに充塡する工程。粉体は空気輸送や落下の過程で摩擦帯電し、接地された金属容器の中でも粉体自体は不導体として帯電したままコーン放電を起こしうる。充塡速度を落とす、金属製の配管・容器をすべて接地・ボンディングする、着火エネルギーの低い粉体では窒素パージなどの不活性化を検討する、といった対策が中心になる。
- 印刷・フィルム加工工程: ロールからフィルムやラベル用紙を引き出す剥離帯電が主要因。搬送速度が速いほど帯電量が増えるため、除電バーの設置と静電遮へいが定番の組み合わせになる。
- 半導体・電子部品実装: 基板やICを扱う工程では、作業者・作業台・工具のすべてを人体接地(リストストラップ・導電性床)と装置接地の両輪で管理する。デバイス単体への対策としては除電器の併用が有効とされる。
静電気対策の導入前チェック
- 帯電が問題になっている対象は、導体か不導体かを切り分けたか
- 金属製の容器・配管・ホッパーはすべて接地・ボンディングされているか
- 不導体(プラスチック容器・絶縁ホース・粉体そのもの)を、接地だけで対策したつもりになっていないか
- 作業者の帯電防止(導電性靴・導電性床・帯電防止服)は実施されているか
- 除電器を使う場合、危険場所であれば防爆型を選定しているか
- 加湿・帯電防止剤は、対象物質に合った湿度域で運用されているか
見積もり依頼をする前に、対象工程が導体主体か不導体主体かを整理しておくと、必要な資材(接地棒・ボンディング線・除電器・帯電防止資材)の選定がスムーズになります。
あわせて読みたい
関連する静電気対策・接地・除電・工場の品種・型番をお探しですか？
電材サーチでは、メーカー横断で目的の型番を素早く見つけ、そのまま見積もりを依頼できます。