静電気学会誌，38, 4（2014）189-195

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論

文

接触過程における低電圧放電特性と放射電磁波
大津 孝佳 ，小林 優作 ，堂山 英之 ，今井 省吾 ，岡田 俊祐 ，藤川 啓道
＊, 1＊

＊

＊

＊

＊

（2013年1月28日受付；2014年7月10日受理）

Characteristic of Electric Discharge and Radiated Electromagnetic＊,1

wave in Electrical Contact Processes＊＊＊

Takayoshi OHTSU , Yusaku KOBAYASHI , Hideyuki DOYAMA , Shogo IMAI ,＊＊Shunsuke OKADA and Hiromichi FUJIKAWA(Received January 28, 2013 ; Accepted July 10, 2014)
The robustness of ESD (Electro static discharge) declines caused by the high frequency operation of the electric equipment
and that countermeasure is made a pressing need. The electromagnetic radiation caused by ESD is broad-band, and canpotentially damage ESD sensitive devices such as Semiconductor, Magnetic head and MEMS. In this paper, we investigatedthe characteristics of the electromagnetic wave generated by the discharge of a Sub-micron gag in an electrical contact
processes by using an electromagnetic relay and a thermal actuator. By the results of the electromagnetic relay, the magnitudeof the electromagnetic wave is peaked at 2 V due to trade-offs between voltage, electric field and discharge resistance.
Furthermore, to investigate the phenomenon of the micro-gap electric discharge in the electrical contact processes in detail,the distance of electrodes and approach speed were controlled by using the thermal actuator. As for the maximum amplitudeof the radiated electromagnetic wave, it found that it depended on an approach speed of electrodes. The applied voltage of it
decreases with increase of the approach speed, the amplitude of it increases with increase of the approach speed.

1．はじめにMisconceptions and Recommended Basic Approaches（2010）

近年，電子デバイスの高集積化・高速化に伴い，その等を作成している．これより，今後の電子デバイスの静静電気耐力は低下することから，ハードディスク用磁気電気対策に於いて，システムレベルでの対策が重要とさヘッドを始めとするナノテクノロジーデバイスの静電気れる．静電気破壊のモードも電圧，電流，磁界，熱，力，破壊対策や電磁波干渉対策が進められている．2008

電磁波と複雑多岐に渡り，その解析は重要である．特に，年に米国アリゾナで開催された半導体デバイスの信頼性静電気放電に伴う電磁波は，高エネルギーで広帯域であ技術に関する国際会議である国際信頼性物理シンポジウることから，電子機器への影響が懸念され，数十ミクロム（ IRPS：International Reliability Physics Symposium ）」ンレベルでの放電と電磁波についての研究や接触過程ににおいて，Chrvaka Duvvur 氏（ TI ）を始めとする半導おける放電現象の研究などがなされている

1-17）

．しかしな

18-21）

体製造グループから，ESD 耐性レベル見直し提案がながら，更に狭いサブミクロン領域での低電圧放電に伴うされた．これは，半導体高機能化（微細化）と ESD 耐電磁波についての報告はない．また，静電気力の MEMS性はトレードオフ関係にあり，コンポーネントレベルで等への応用から，狭ギャップでの Modified Paschen 領域の静電気耐力を従来通りのレベルで維持することが困難における放電現象への関心も高い．電磁リレーや USB でであるとし，System Level での対策を行うとの重要性をの抜き差しなど，低電圧で狭いギャップでの放電が生じ

掲 げ，Industrial Council や 米 国 ESD Association の 中 でるが，電気接点の閉成時の放電（ ON 放電）と電気接点

White Paper 3 System Level ESD Part I: Commonの開離時の放電（ OFF 放電）による電磁波の違いなど，

キーワード：接触過程，マイクロギャップ放電，放射電磁波，電界放出，ESD，EMI，電子デバイス，静電気対策技術＊
鈴鹿工業高等専門学校電気電子工学科（〒510-0294 三重県鈴鹿市白子町）
Department of Electrical and Electronic Engineering
Suzuka National Collage of Technology Shiroko-cho,Suzuka, Mie 510-0294, Japan1
ohtsu@elec.suzuka-ct.ac.jp

その詳細は調べられていない．本報告の目的は，接触過程におけるサブミクロンギャップでのオン / オフの場合に発生する電磁波の特性を調べることにある．

2．実験方法図 1 に実験装置を示す．接触過程におけるサブミクロンギャップでの放電には，図 2 に示す電磁リレーの接点を用いた（ OMRON MY-2ZD 24V DC ）．リレーの外形寸

静電気学会誌 第38巻 第 4 号（2014）

190（36）

図 1 マイクロギャップ実験装置
Fig.1 Measurement system by relay.

図 2 電磁リレーによるマイクロギャップ実験
Fig.2 Sub-micron gap by relay.

図 3 サーマルアクチュエータを用いた実験装置
Fig.3 Measurement system by thermal actuator.

図 4 サーマルアクチュエータによるマイクロギャップ実験
Fig.4 Sub- micron gap control by thermal actuator.

法は幅 21.5 mm，奥行 28 mm，高さ 36 mm である．後

3．実験結果及び考察

述する印加電圧と放電電圧の関係（図 13）から，放電3.1 ON/OFF放電の印加電圧依存性Ⅰ

電圧 1～10 V の場合，放電間隔は 10～100 nm である．

図 5 に印加電圧が 2 V の場合の典型的な放電電流波形

本研究では移動電極を用いて接触過程におけるサブミクとモノポールアンテナへの誘起電圧波形を示す．大きさ

ロン放電の実験を行う．電磁リレーの出力側の電気回路は，全体の中で最大振幅（最大値－最小値）波形の振幅に 10 Ω の抵抗と電圧電源を直列に繋ぎ，電磁リレーのであり，立ち上がり時間は，最大振幅波形の最小値から入力側に繋いだもう一つの外部電源により電磁リレーを最大値までの時間である．図 6 に電源電圧を 1，2，4 V

ON/OFF させた．電気接点の閉成時の放電と電気接点のとし，電気接点の閉成時の放電（ ON 放電）と電気接点開離時の放電した場合に発生する電磁波を電気接点からの開離時の放電（ OFF 放電）ともに 50 回の放電による10 mm の位値に配置したモノポールアンテナ（長さ 5誘起電圧の大きさの測定結果を示す．誘導電圧の大きさmm ）に誘起された電圧として観察した．また，放電電は接点から 10 mm の位値に設置したモノポールアンテ流はカレントトランス（ CT-6：帯域 2 GHz ）により測ナ（長さ 5 mm ）に誘起された電圧であり，帯域補正は定した．実験は， 温度 23～28 度， 湿度 30～50％の条行っていない．上段は ON 放電の場合，下段は OFF 放件で行った．更に，図 3，図 4 にサブミクロンギャップ

電の場合である．ON 放電のみならず，OFF の場合も放のギャップ間隔をサーマルアクチュエータにより制御す電し，電磁波が発生していることが分かる．ON 放電はる実験装置を示す．図 3 は直径 8 mm の真鍮球（固定電極）印加電圧による電界強度に起因し，OFF 放電の場合はイと先端が半径 5 mm の真鍮棒（移動電極）を備え，移動ンダクタンスの逆起電力（ Ldi/dt ）による電界強度に起電極はセラミックヒーター部に接続されている．このヒ因するものと考えられる．この誘起電圧波形の立ち上がーターに外部電源から電圧印加し，その熱膨張により電り時間は放電によるものであり，その後，電気接点の動極を移動させることで，電極間隔と移動速度を変化させ作により接点を含めた系全体に過渡的な電圧・電流の変ることができる．電極の周りは外気の温度の影響を少なくするためアクリルのパイプで覆われている．また，放電時に発生する電磁波をギャップから 10 mm の位値に設置したモノポールアンテナ（長さ 5 mm ）により観察した．図 4 は実験装置の外観である．低帯域のオシロス
コープは，
Lecroy 社 9354AL（500MHz 2G サンプリング），高帯域のオシロスコープは，Lecroy 社 wavepro 760zi（6GHz 20G サンプリング）を用いた．

図 5 放電電流波形と誘起電圧波形
Fig.5 Wave form of Discharge current and Electromagnetic wave．

接触過程における低電圧放電特性と放射電磁波（大津 孝佳ら）

191（37）図 8 放電電流と誘起電圧の大きさ
Fig.8 Strength of Electromagnetic wave vs. Discharge current．

図 8 に印加電圧 2 V の場合の誘起電圧の大きさと放電電流の関係を示す．これより，誘起電圧の大きさ y，放電電流 x の回帰式は y＝0.7694x＋17.824 で表され，標準偏差 R2 は 0.9416 であり，誘起電圧の大きさは放電電流に比例している． 2 V でのピークの原因を詳細に解析す
図 6 放射電磁波の観察（1，2，4 V ）Fig.6 Observation of Electromagnetic wave．

ることを目的に，オシロスコープの帯域によるものか，ばらつきによるものか等を調べるため誘起電圧波形の高帯域オシロスコープ（6 GHz ）での観察を行った．これは，数 V での放電は立ち上がりが急峻であり，帯域が GHzに及んでいるためである．

3.2 ON/OFF放電の印加電圧依存性II
図 9， 図 10 に 高 帯 域 の オ シ ロ ス コ ー プ（ Lecroy 社
wavepro 760zi ：6 GHz 20G サンプリング）を用いて測定を行った結果を示す．図 6 と同様に，2 V がピークとなっている．2 V でのばらつきは，速度依存性等今後検討する．更に，5 V，6 V と大きくしても誘起電圧の大きさは増加しないことが分かった．

3.3 誘起電圧波形の立ち上がり時間
図 7 放電印加電圧と誘起電圧の大きさ
Fig.7 Strength of Electromagnetic wave vs. Discharge voltage．

図 11 に電気接点の閉成時の放電（ ON 放電）と電気接点の開離時の放電（ OFF 放電）場合の印加電圧と誘起電圧波形の立ち上り時間の平均値を示す．立ち上がり動が発生して，回路（電源，配線，接点）全体あるいは時間とは，最初の立ち上がり波形の０点からピークまで一部の放射要素が含まれるものと考えられる．図 7 に印の時間である．上段が ON 放電の場合，下段が OFF 放加電圧と誘起電圧の大きさを示す．電気接点の閉成時の電の場合である．これより，印加電圧を変えても立ち上放電（ ON 放電）と電気接点の開離時の放電（ OFF 放電）り時間は大きく変わらない．

ともに 50 回の誘起電圧の大きさの測定結果である．測図 12 に印加電圧と誘起電圧波形の立ち上り時間の関定には帯域 500 MHz のオシロスコープを用いた．誘起係を示す．これより，ON 放電よりも OFF 放電の方が，電圧の大きさはオン / オフの場合ともに 1 V よりも 2 V

誘起電圧波形の立ち上り時間が短い．の方が大きい．しかし，4 V の場合はオン / オフの場合3.4 電圧・電界強度・放電抵抗の関係ともに 2 V の場合よりも低くなっている．この 4 V より

図 13（上図）に著者等が行ったギャップ長と放電電2 V の方が，誘起電圧の大きさが大きくなる現象は，低圧の関係の実験結果を示す．このデータはハードディス電圧での電子機器の誤動作等の障害となり得る要素をもクでのヘッドとディスクの間隔と放電電圧の関係をプロつことからその理由の解明が必要である．

ットしたものである．各プロットは機種の異なるものの192（38）

静電気学会誌 第38巻 第 4 号（2014）

図 10 放電印加電圧と誘起電圧の大きさ
Fig.10 Strength of Electromagnetic wave vs. Discharge voltage.

図 11 誘起電圧波形の立ち上がり時間
Fig.11 Rise time of Electromagnetic wave．

図 12 放電印加電圧と誘起電圧波形の立ち上がり時間
Fig.12 Rise time of Electromagnetic wave vs. Discharge voltage．

実験結果である．
図 9 放射電磁波の観察（1，2，3，4，5，6 V ）Fig.9 Observation of Electromagnetic wave．

ま た， 曲 線 は 空 気 の 場 合 の Paschen curve で あ る．
Paschen curve では 10～100 nm の領域での放電は生じ

接触過程における低電圧放電特性と放射電磁波（大津 孝佳ら）

193（39）

図 14 印加電圧 , 電極間隔 , 電界強度 , 放電抵抗の関係
Fig.14 Trade off of voltage, distance, Electric field and discharge
resistance.に，電圧を低くすると Io，If ともに電流密度が上がらないことから放電電流は小さくなる．以上のことから，電圧，電界強度，放電抵抗のトレードオフにより，2Vが最大となると考えられる．

3.5 サーマルアクチュエータによるサブミクロンギャップの制御
更に詳細にサブミクロンギャップでの放電現象を調査するため，サーマルアクチュエータにより電極間隔の制御を行った．図 15 にヒーターに 5 V の一定の電圧をかけ，10 μm 毎の熱膨張の時間を計ることにより，熱膨張による金属の膨張速度の観察結果を示す．これより，一定の速度で移動することが分かり，移動速度を変化させることができる．各プロットは 10 回の測定結果であり，回数による差は見られない．
図 16 にヒーターに一定電圧（4，5，6 V ）をかけ，十図 13 電極間隔と放電電圧（上図），電界強度（下図）
Fig.13 Discharge voltage and Electric Field vs. Dischargedistance．

ないとされているが，実験結果からは 1 V～10 V 程度の電圧で放電している．よって，
本実験での 1 V～8 V は，10 nm～100 nm 程度のサブミクロン領域での放電であることが分かる．図 13（下図）に Paschen curve と実験結果より求めたギャップ長と電界強度の関係を示す．電界強度は放電電圧と放電間隔より求めた．ギャップ長が図 15 サーマルアクチュエータの動作
Fig.15 Performance of thermal actuator

狭くなると電界強度が増加している．10 nm ～100 nm
程度のサブミクロン領域での電界強度は 1 MV/cm を超えており，電界放出が生じる領域であることが分かった．
放電電流 Id は，電圧 V と放電抵抗 R（ d ）で決まる電流 Io ＝ V/R（ d ）と，電界で決まる電流 If＝I（ E（ d ））からなり，Id ＝ Io ＋ If である．ここで，図 14 に示す
ように，電圧が高い程，放電するギャップ間隔 d が広がることから，放電抵抗 R（ d ）は大きくなる．これより，電圧が高くなると，放電抵抗が増大するとともに，電界強度が下がり，放電電流は小さくなる．また，電圧が低くなると，電界強度は上がり，放電抵抗が小さくなり，放電電流が増加し，誘起電圧の大きさは大きくなる．更図 16 ヒーター印加電圧と移動距離
Fig.16 Heater voltage dependence of thermal actuator．

194（40）

静電気学会誌 第38巻 第 4 号（2014）

図 17 ヒーター印加電圧と移動距離
Fig.17 Heater voltage dependence of thermal actuator．

図 19 印加電圧と誘起電圧の大きさ
Fig.19 Strength of Electromagnetic wave vs. Discharge voltage．

分な時間（5 分程度）が経った後の移動距離より，熱膨図 19 に印加電圧と誘起電圧の大きさの関係を示す．

張により制御の可能な距離を調べた結果を示す．これよ

各電圧に於いて 10 回の測定結果であり，回数による差り，ヒーターへの印加電圧により，ギャップ間隔の制御は見られない．直線は平均値である．これより，誘起電が可能であることが分かる．そこで，4 － 5 V 間の詳細

圧の大きさは 3 V で最高となり以降は下がっていくことな結果を図 17 に示す． 時間と距離は比例の関係にある．

がわかる．図 6 の電磁リレーでは 2 V がピークであり，また，各プロットは 10 回の測定結果であり，回数によサーマルアクチュエータは 3 V がピークとなっている．

る差は見られない．時間に対し一定の速さで熱膨張していずれの場合も低電圧の放電現象の方が誘起電圧に伴うおり，4 － 5V 間で 12 μm，つまり 0．1V で 1.2 μm の制電磁障害の原因となりうることを示している．

御が可能である．更に，測定領域を狭めることにより，10 mV で 120 nm の制御が可能であることが分かった．

3.7 誘起電圧のピークの速度依存性
リレーでは 2 V にピークがあり，サーマルアクチュエ

3.6 放電電流と誘起電圧波形の観察

ータでは 3 V がピークとなったことから，誘起電圧の大

図 18 に電極間に一定電圧（2 V，3 V，5 V，7 V ）をきさの電極間隔の移動速度依存性の実験を行った．

印加し，ヒーターに 15 V を印加し，対抗電極への移動移動速度はサーマルアクチュエータへのヒーターへの速度 6.413 μm/s で電極間隔を接近させ放電を起こした．

印加電圧を 3 V，11 V，12 V，15 V と変えて，対抗電極その際に発生した誘起電圧の大きさをモノポールアンテへの移動速度を夫々 0.137，1.776，2.108，6.413 μm/s にナで，放電電流値の波形は CT6 を用いてオシロスコー変化させた．図 20 に電極への印加電圧と誘起電圧の大プにより測定した結果を示す．これより，誘起電圧と電きさの関係を示す．各プロットは 10 回の測定の平均値流には比例の関係があることが分かる．この関係は図 7である．これより，移動速度が速いほど低い印加電圧でに示す電磁リレーでの測定結果と同様であり，放射電磁ピークが現れている．つまり，移動速度が速い程，2V波は放電電流に比例していることがわかる．に近づくことが分かった．また，誘起電圧の大きさも移動 速 度 が 速 い 方 が 高 く な っ て い る．6.613 μm/s で は

図 18 放電電流と放射電磁波強度
Fig.18 Strength of Electromagnetic wave vs. Discharge current.

図 20 電極接近速度と誘起電圧の大きさ
Fig.20 Strength of Electromagnetic wave dependence ofapproaching speed of electrode．

接触過程における低電圧放電特性と放射電磁波（大津 孝佳ら）
0.137 μm/s の場合の 1.2 倍である．これより，誘起電圧の大きさの最大値は印加電圧と移動速度に依存することが分かった．

4．まとめ

195（41）

7） A.Wallash: EOS/ESD Symposium Proceedings, EOS-22, 349（2000）
8） Yong Shen, RingoLeung, and Jennifer ZF Sun: EOS/ESDSymposium Proceedings, EOS-22, 355（2000）

電磁リレー及びサーマルアクチュエータを用いた接触

9） Takayoshi Ohtsu, Hitoshi Yoshida and Noriaki Hatanaka:

過程におけるサブミクロンギャップでの低電圧放電によ

EOS/ESD Symposium Proceedings, EOS-23, 173（2001）

る誘起電圧の特性を調べ，次のことが明らかになった．

10）Takehiko Hamaguchi, Takayuki Ichihara and Takayoshi Ohtsu:（1）オフ放電においても電磁波が発生する．
（2）2 V の場合の電磁波強度が一番高く，1 V 及び 4～6
V では低くなる．
（3）誘起電圧の大きさは電流値が大きいほど強い，誘導電圧波形の立ち上がり時間の電圧依存性は小さく，オフ放電の方が短い．
（4）印加電圧・電界強度・放電抵抗とのトレードオフにより，2 V が最大となっていると考えられる．
（5）電極間の接近速度が速いほど低い印加電圧で誘起電圧の大きさの最大値（ピーク）が現れる．
（6）誘起電圧の大きさの最大値は移動速度が速い程大きくなる．

EOS/ESD Symposium Proceedings, EOS-24, 119（2002）
11） Chris Moore and Albert Wallash: EOS/ESD Symposium
Proceedings, EOS-21, 309（1999）12）A.Wallash, : , IDEMA Symp.（1998）
13）A.Wallash and M.Honda: EOS/ESD Proceedings, EOS-19,
pp.382-385（1997）14）M.Honda and Y.Nakamura: EOS/ESD Proceedings, EOS-9,
pp.96-103（1987）
15）Akira Morinaga, Chiaki Ishikawa, Takayoshi Ohtsu, Norifumi
Miyamoto and Shinji Narishige: IEEE Trans.Magn., 38,［5］（2000）2262
16）Takayoshi Ohtsu,“ Study on ESD/EMI Phenomena for
Magnetic Reproducing Head ”, IEEJ Trans.FM, 130［5］謝辞（2010）473-478

本研究を進めるにあたり，インパルス物理研究所の本

17）Takayoshi Ohtsu,“ Study on ESD Phenomena of Magnetic

田 昌 實 氏 の ご 協 力 に 感 謝 致 し ま す． 測 定 に あ た り，Head by 1ns Pulse ESD ”, APEMC, Beijing, China（2010）

Lecroy 社に感謝致します．実験に協力頂いた岡 亮太氏，

18）T.Oda, H.Miyasaka, R.Ono,“ Basic Research on Low Voltage

谷辻和幸氏，高井太郎氏，伊藤翔太氏に感謝致します．

Electrostatic Discharge Phenomena, ”Industry Applications
Society Annual Meeting, IAS , IEEE（2008）

参考文献

19）Ken Kawamata et al,“ Influence of the Surface Condition of1） H.Tian and J.K.Lee: IEEE Trans.Magn., 31［5］（1995）2624

Electrodes on Radiated EM Field Intensity due to Micro Gap

2） A.Wallash: IEEE Trans.Magn., 33［5］（1997）2911

Discharge ”, APEMC , Beijing, China（2010）

3） Lam C., Salhi E., and Chim S.: EOS-19 , 386（1997）
4） A.Wallash and Y.K.Kim: IEEE Trans.Magn., 34［4］（1998）
1519
5） M.Takahashi, T.Maeda, M.Sakai, H.Morita, and M.Matsuzaki:
IEEE Trans.Magn., 34［4］（1998）1522
6） Chung F.Lam, Caleb Chang, and Rahmat Karimi: EOS/ESD
Symposium Proceedings, EOS-20, 360, 1998.

20）Takahiro Yoshida et al,“ Effect of the Shapes of Metal
Electrodes on ESD Current and Radiation Noise ”APEMC,Beijing, China（2010）21）T.Oda, H.Miyasaka, R.Ono,“ Basic Research on Low Voltage
Electrostatic Discharge Phenomena, ”Industry Applications
Society Annual Meeting, IAS , IEEE（2008）