J. Inst. Electrostat. Jpn.

静電気学会誌，36, 1 (2012) 20-24

誘導 ESD に曝された情報ケーブルにおける過渡雑音の測定
本田 昌實*,1，磯福 佐東至**（2011 年 9 月 12 日受付；2011 年 12 月 8 日受理）

Measurements of Transient Noise on Information Cable Exposed by Induced ESD
Masamitsu HONDA*,1 and Satoshi ISOFUKU**(Received September 12, 2011; Accepted December 8, 2011)

Some 0.1 mm or less small gap exists between a floating metal and a neighbor metal, voltage difference isgenerated between the gap by static induction depending upon surrounding static field variations, then aspark discharge ("Induced ESD") may occurs at the gap if conditions meet. We report and analyze themeasurement results of induced noise waveform on different type of information cables closely exposedby this induced ESD. It was found that a double-shielded SHF coaxial cable picked up high-level noise.
Enough noises that would cause malfunctions of the logic circuit were measured. This phenomenon cannot
be reproduced or tested by standard IEC 61000-4-2 or ESD Gun test.
1.

はじめにCPU 動作に影響を与えていた事がわかった．

セキュリティ関連の電子装置において，毎年冬季になる

この誘導 ESD 事象 3)は，1980 年代に ECL 等の高速論理と，発生頻度は非常に低いが，重大なトラブル（自己回復素子を使う大型コンピュータシステムで散見されたが，最不能な CPU 停止）が発生した．状況から，人が電子装置の近，再び出現する様になった．機器装置のプラスチック化，そばを通り過ぎるタイミングで起こる為，人体からの静電半導体デバイスの高速／低振幅動作化等が背景にある．

気放電（ESD）が原因ではないかと考えられたが，装置表

今回は，誘導 ESD による過渡電磁界の各種情報ケーブ

面はプラスチックで覆われており，直接的な火花放電は起ルに対する結合メカニズムを調べる実験を行ない，その一こりにくい状況にあった．この装置は，ESD 耐性に関する端が明らかになったので報告する．

IEC 規格（61000-4-2）1)を完全にクリアしているが，改めて装置近辺での ESD 発生を想定し，間接 ESD2)（放電によ2.

る過渡電磁界の輻射）試験を厳重に行なったが，同種トラ

2.1

ブルは再現出来ず，結局静電気説は否定された．

実験方法
誘導 ESD 発生源及びプラスチック筐体内部への変動電界の付与方法

数年にわたる調査解析の結果，原因は装置上部プラスチ

誘導ESDを再現良く発生する為の浮動金属体（誘導ESDック（ABS：厚さ約 5 mm）の裏面に非接地浮動状態の金発生源）の配置を図1に示す．銅板Aは110 mm × 47 mm，属部品があり，ここで静電誘導による放電が発生し，この同Bは50 mm × 10 mmで共に厚さは1.0 mm．静電容量（対時輻射される過渡電磁界が，金属部品のすぐ近くを通る信接地）は夫々2.9 pF，0.6 pFである．これらをアクリル板号ケーブルに結合してバースト状の高周波雑音を誘起させ，

キーワード：非接地浮動金属体，誘導 ESD，過渡電磁界，情報ケーブル，過渡雑音* （株）インパルス物理研究所（206-0823 東京都稲城市平尾 2-56-8）
Impulse Physics Laboratory, Inc., 2-56-8 Hirao, Inagi,
Tokyo 206-0823, Japan** 東京電子交易（株）（190-0023 東京都立川市柴崎町5-16-30）
Tokyo Electronics Trading Co., Ltd., 5-16-30 Shibasaki-cho,Tachikawa, Tokyo 190-0023, Japan
1maxhonda@impulse-physics.com

図1 誘導ESD発生器
Fig. 1 Floating copper plates (A and B) with a gap (60 μm)
as an induced ESD generator.

誘導 ESD に曝された情報ケーブルにおける過渡雑音の測定（本田昌實ら）

21

250 mm のアクリル板（厚さ 1.5 mm，帯電電位約+10 kV）を使った実験も同様に実施した．この場合は，誘導するインパルスの極性が反転する以外は，テフロン・シートと同じ効果が認められた．
2.3

ケーブル誘起ノイズの測定方法と評価ケーブルの種類

誘導 ESD 発生器（銅板 A，B）の下部 25 mm の位置に，
図2 実験見取り図
Fig. 2 Front view of the floating metals and an exposed cablego through the plastic box.

評価ケーブル（C1-C4）を水平に敷設し，これの一端をオシロスコープ（50 Ω 又は 1 MΩ 入力インピーダンス）に接続し，誘起波形を測定した．ただし，C4 の USB ケーブルに関しては，誘導電流を測定する為，電流プローブ（テク13（200 mm × 100 mm× 3 mm, 絶縁抵抗 > 10 Ω）上に，ギトロニクス，CT-6, 250 kHz-2 GHz）を用いた．

ャップ間隔約60 μmで固定している．このギャップ幅での評価したケーブルの種類．

絶縁破壊電圧は約750 Vである．

C1: 遮蔽無しのツイストペア線，長さ 1.9 m，遠端 780 Ω 終

誘導 ESD 発生源を，長さ 225 mm × 幅 104 mm × 高さ

端．

107 mm のプラスチック（ポリプロピレン製）の箱の中

C2: 遮蔽付多芯ケーブル，長さ 1.7m，遠端 220 Ω 終端，遮に上面から 20 mm の位置に水平に配置した（銅板 B が蔽層は両端で接地．

図 1 にある様に左側に位置する）更に，このプラスチッ

C3: SHF Coax ケーブル（DC-6GHz，50 Ω）長さ 1m，遠端ク箱を接地した鉄板（1.8 m × 120 mm，厚さ 3 mm）上に50 Ω 終端．

置いた．

C4: USB ケーブル長さ 2 m (1 m + 1 m)，遠端 100 Ω 終端，静電誘導により，銅板 A と銅板 B に電荷が誘導し，これらの電位差が概略 750 V を超えると，火花放電（誘導近端は D+，D-からのリード線約 1 cm を CT-6（電流プローブ）に貫通．

ESD）を生じる．この放電によって過渡電磁界が銅板 A及び B より輻射される．銅板 AB の直下 25 mm の所に，3.

試験すべき情報ケーブル（C1-C4）を水平に張って過渡3.1実験結果
遮蔽無しのツイスト線（C1）

電磁界に曝し，このケーブルの一端をオシロスコープ

低速の信号線として用いられる，長さ 1.9 m のツイスト（テクトロニクス，684 C，帯域 1 GHz，5 GS/s，同 6604

線（UTP， AWG20 × 2，10 ピッチ／250 mm）を誘導ＥＳ

B, 帯域 6 GHz，20 GS/s）に接続した（図 2）．

Ｄ発生源の下方 25 mm の位置で銅板に対してこれの真下

2.2 帯電人体の歩行による変動静電界の生成と放電の確認
帯電した人の歩行により生じた変動静電界による金属
4)で平行に配置した（水平状態）．このツイスト線の端部（遠端）は 780 Ω で終端してある．（公称特性インピーダンス：600 Ω）近端の線の片側はオシロスコープの BNC コネクタ

体の静電誘導 を調べる為，－10 kV に帯電したテフロン・の hot 側に接続し，他方は BNC コネクタのグランド側に接シート（65 mm × 180 mm，厚さ0.8 mm，）を水平に保持し続した．このオシロスコープは 1 MΩ又は 50 Ω の入力インながら，プラスチック箱の直ぐ上を銅板 A の方から，B のピーダンスが選択出来るようになっている．

方向（図2で右から左）へ，約30 cm／秒の速度で移動させテフロン板を右から左へ移動させた時の放電による誘導た．この状況では，テフロン・シートと銅板 A，B との間電圧波形の一例を図 3 に示す．オシロスコープが 1 MΩ の隔は20 mm（d = 20 mm）になる．この時，近辺に配置して入力インピーダンスの場合，尖頭値（p-p 電圧値 Vpp）はある ESD 検出器（ES-98P）が反応する事から，放電（誘導4.4-5.6V であった．入力インピーダンスを 50 Ω にしてもESD）が起きている事がわかる．但し，ESD 検出器はテフVpp は 3.7-5.5V であった．振動周期は約 3ns 前後で，波束ロン・シートが運動中にのみ反応し，停止した場合は，全の終息には約 20-30 ns かかっている．

く反応しない．

遮蔽無しツイスト線（C1）の誘導電圧波形は，初期部分

テフロン・シートをプラスチック箱の上面より 30 mm 上に 3-5Vpp のインパルスを持つバースト状ノイズになり，を移動（d = 50 mm）させる実験も行なったが，20 mm と同ケーブルの特性インピーダンス，終端抵抗値，測定系の入様，運動中にのみ ESD 検出器（ES-98P）は反応した．また，力インピーダンス等にはあまり関係しない事がわかる．

正の帯電物体の移動に関する影響を見るために，90 mm ×22

静電気学会誌

第 36 巻図 3 ツイスト線に誘起した過渡雑音波形
d = 20 mm, 縦軸：1 V/div 横軸：10 ns/div，オシロス
コープ入力インピーダンス 1 MΩ, Vpp = 5.61 V= (Max3.72 V + Min 1.89 V)Fig. 3 Induced noise on the twisted pair wires d = 20 mm,1 V/div, 10 ns/div, Vpp = 5.61 V.
3.2

第1号

(2012)

図 4 遮蔽層両端を開放（非接地）した多芯ケーブ
ルに誘起した過渡雑音波形
Fig. 4 Induced noise on the multi-conductor cable d =20 mm, both ends open(no-shield), 1 V/div, 5 ns/div, Vpp= 8.37 V(4.94 V + 3.43 V).

遮蔽付き多芯ケーブル（C2）

発生源の下方 25 mm の位置で平行に配置した長さ 1.7 mの遮蔽付き多芯ケーブルの 2 線間（遠端 220 Ω 終端）をオシロスコープ（50 Ω）に接続して誘起電圧波形を計測した．
遮蔽層の接地条件と誘起電圧（Vpp）の関係は下記の通りであった．
遮蔽層を接地しない ：5.5-8.4 V 例 図 4
遠端のみ遮蔽層を接地：4.2-5.4 V
遮蔽層の両端を接地 ：4.8-6.6 V 例 図 5
上記より，遮蔽層を接地した場合の誘起電圧は，それ程小さくならない事がわかる．今回の実験では，遠端接地の方が全体として良い結果が得られたが，条件によっては別の結果も有り得る．
3.3

図 5 多芯ケーブル（接地）に誘起した過渡雑音波形
Fig. 5 Induced noise on the multi-conductor cable d = 20mm, both ends ground (shielded), 1 V/div, 5 ns/div, Vpp =4.79 V (2.76 V + 2.03 V).

同軸ケーブル（C3）

発生源の下方 25 mm の位置で平行に配置した長さ 1 m のSHF 同軸ケーブル（潤工社 DSF040, DC-6GHz，Z0 =50 Ω）をオシロスコープ（帯域 1 GHz, 50 Ω）に接続して中心導体と遮蔽層間の誘起電圧波形を計測した．d = 20 mm の時のpp 電圧：7.1-9.6 V d = 50 mm の時の pp 電圧：6.8-9.1 V
誘起電圧は他のケーブルに比べて高く，銅板 A，B と帯電シート間の距離（d）には大きく依存しない．図 6 はテフロン・シートを右から左へ移動させた時に生じた誘起電圧波形である．
3.4

USB ケーブル（C4）発生源の下方 15mm の位置に長さ 2 m (1 m + 1 m)の USBケーブルを波源と平行に配置した．このケーブルの信号線（D+, D-）の片側（近端）を長さ 10 mm の電線で短絡し，こ

図 6 同軸ケーブルに誘起した過渡雑音波形
Fig. 6. Induced noise on the coaxial cable (DSF040) d =20 mm, far end terminated (50 Ω), 1 V/div, 2 ns/div, Vpp =8.11 V (3.86 V + 4.25 V).

こに電流プローブ（テクトロニクス，CT-6, 250 kHz-2 GHz）

6604 B, 帯域 6 GHz，20 GS/s）で測定した．信号線は，遠を貫通させ，誘導電流をオシロスコープ（テクトロニクス，端で終端（100 Ω）している．電源ライン（Vbus, GND）も

誘導 ESD に曝された情報ケーブルにおける過渡雑音の測定（本田昌實ら）

23

従って，cΔt は数センチに満たない場合もある．現状の電磁界の解析手法は，波源が少なくとも観測時間内では振幅（A）が一定で，連続振動（一定角速度 ω）しており，尚且つ波源の大きさ（DTX）と，受信回路の大きさ（DRX）は途中にある空間媒質の大きさ（d）に比べて無視出来るほど小さい（DTX<<d，DRX<<d）必要が有り，現実の ESD 状況と異なっている．
4.2

遮蔽付き多芯ケーブル（C2）

低速の信号伝送線路や制御信号伝送線路としての遮蔽付き多芯ケーブルの利用は多いが，このケーブルも至近距
図 7 USB ケーブルに誘起した過渡雑音波形
Fig. 7 Induced noise current on the USB cable d = 15 mm,
far end terminated (100 Ω), 10 mA/div, 5 ns/div, Ipp = 78mA.

離での ESD 事象に対しては脆弱である．遮蔽層の両端を接遠端を 100 Ω で終端しているが，近端（測定側）は開放しる．特に振幅が大きいバースト状の雑音は，回路にある非ている．このケーブルの遮蔽層（二重）は測定側のコネク線形素子によって（包絡線）検波され，適度な幅のパルスタで接地している．測定電流波形の一例を図 7 に示す．

信号に化ける為，“信号”と誤認されてしまう可能性もある．

尚，発生源から距離 25 mm にこのケーブルを配置すると，地しても数ボルト，繰り返し周期約 1.6 ns（約 600 MHz），継続時間約 20 ns のバースト状雑音が誘起する為，使用状
況によっては，信号品質に重大な影響を与える可能性があ

4.3

同軸ケーブル（C3）電流プローブの S/N が確保できず，この距離（15 mm）にSHF 帯等で使われる同軸ケーブルは，高周波においてもした．USB の差動線路は定電流（公称値 17.78 mA）駆動で低損失の線路を構成する為，外部導体や中心導体は銀メッあり，このケーブルに関しては，電流波形を測定した．

キが施されており，誘電体も損失角の小さなもの（例：PTFE）が使われている．外部導体を 2 重にし，遮蔽効果を4.
4.1高めたケーブル（例：RG142/Bu）もある．しかし，この様検討な構造の伝送線路であっても，近辺で発生する ESD では大遮蔽無しのツイスト線（C1）

25 mm ピッチのツイスト線に数Ｖオーダ（例 3.5 V）のきな振幅の雑音が誘起する事がわかった．ケーブルの終端インパルス状過渡電圧が誘起する事から，誘導 ESD によるが 50 Ω であっても，誘起電圧は 8 V を越える場合もあり，過渡電磁界の大きさは，少なくとも 3.5 V/0.025 m (140 V/m)

これは数百 mA オーダのパルス状の雑音電流に匹敵する．

以上になっていると考えられる．しかも隣接する 25 mm の外部導体に誘起したインパルス状雑音が，表面波としてピッチ（ループ）間で誘起電流がキャンセル出来ない事か外部導体を伝播し，ケーブルの端（コネクタ部）まで来る

ら，過渡電磁界は少なくとも 25 mm の場所（空間）ごとにとここで反射が起こり，その一部は中心導体に結合してノ変わっており，その違い方（空間勾配∂E/∂x）は少なくとーマルモードになる．更に，外部導体（メッシュ状）からも 140 V/m/0.025 m のオーダになっていると考えられる．

直接的に中心導体への結合も起こり，波長短縮率（k）に応

実際にはツイスト線は放電を引き起こす金属体（波源）とじた伝播速度（kc）でケーブルの端に現れる．

極めて接近しているので，近接界（静電界＋誘導電界＋誘従って，オシロスコープ（50 Ω）で観測される波形は，こ導磁界）による結合メカニズムを考える必要がある．
（平面れらが合成されたものになる．

波と充分に長い分布定数線路との結合問題は確立されている）より詳細な解析を行なうには，ツイスト線のピッチ１

k = 1/√εε：比誘電率8c = 3 x 10 ［m/s］

セクションを 2 本の有限な長さ（L）の分布定数線路とみ同軸ケーブルの信号の伝播速度（v1）は，中心導体を取りなし，これと近接界との結合を調べれば良いが，cΔt と，囲む誘電体の比誘電率（ε1）で決まるが，外部導体に誘起Ｌが比較可能か，又は cΔt の方がＬよりも小さくなる状況

したインパルス状雑音の伝播速度（v2）は，外部導体を保も織り込む必要がある．

護する被覆の比誘電率（ε2）と，中心導体を取り囲む誘電8c（光速）：3ｘ10 [m/s]体の比誘電率（ε1）の両方が関係してくるので，結果としΔt：放電開始から終了までの時間[s] 微小ギャップ（数百て速度差（Δv）が生じる事になる．

V），低容量（数 pF）の ESD では数十 ps～数百 ps.放電電流｜Δv｜= v2 - v1５）の立ち上がり時間は数 ps～数十ｐｓオーダになる．

一般に，高周波用同軸ケーブルの波長短縮率は 0.7（＝光24

静電気学会誌

第 36 巻

第1号
表1(2012)

ピーク位置と時間間隔（ns）

Table 1

Peak position and time interval (ns) of the burst

noise appeared on Fig. 7.

図 8 バースト周波数を知る為に図７から抽出した波形とピーク位置の番号付け
Fig. 8 Extracted waveform from the Fig.7 for the analysisof burst noise repetition period.
速の 7 割の伝播速度）前後であり，1m 当たりの伝播遅延

ピーク位置
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
10-11

時間間隔 (ns)
1.4
1.35
1.1
1.25
1.25
1.4
1.35
1.25
1.35
1.2

雑音は，受信回路にとって“正常信号”として受け止められる可能性がある．

時間は 4.5 ns から 5 ns 程度になる．至近距離で発生した誘導 ESD による誘起波形はインパルス状であり，ケーブル端5.

部でのナノ秒オーダの到来時間差は，新たなパルスを生じ装置内に非接地の浮動金属体があると，ここで誘導 ESDる原因にもなる．
4.4

USB ケーブル（C4）

まとめが発生する．各種の情報ケーブルがこれによって輻射された過渡電磁界に曝されると，大振幅の過渡雑音が誘起する．

USB ケーブルは情報メディア機器を接続する際の（差その波形は立ち上がりが数百ピコ秒オーダのインパルス状，動）伝送線路として多用されており，その使用環境では或いは，繰り返し周波数が UHF 帯に及ぶバースト状であESD と遭遇する機会は少なく無い．特に，“プラグアンドり，容易に回路に結合／伝導する．その為，人体から装置プレイ”の様に，ケーブルの頻繁な抜き差しを伴う場合は，に直接的な放電事象が起きていないにも拘らず，この装置帯電人体からの直接的な放電や，ケーブルの引きずり／折で重大な電磁妨害（EMI）が発生してしまう．

り曲げに伴う CDE（cable discharge events）等も起こり，機この事象は従来の ESD 耐性試験では評価，再現出来ず，器本体以上に ESD の存在が問題となる．この為，USB ケ

新たな試験方法（例：誘導 ESD 耐性試験）を早急に確立すーブルは外乱の影響を最小化する為，厳重な遮蔽構造が取る必要がある．

られている．

誘導 ESD による過渡電磁界と情報ケーブルとの結合，イ今回の実験では，1m の USB ケーブルを 2 本（タイプ

ンパルス雑音が重畳したケーブルとこれに隣接している情B＋延長ケーブル）接続して，近くで誘導 ESD が発生し報ケーブル間のクロストークの問題は改めて報告したい．

た場合のデータ線（D+，D-）に誘導する雑音電流を測定した．その結果，図 7 に示す様な大振幅（78 mA）のバースト状雑音が生じる事がわかった．
図 7 のバースト状波形について，最初の振幅の大きいパルスから 15 ns までに含まれる各パルス（位置）に番号を振り（図 8），それらの時間間隔（繰り返し周期）を EXCELデータ（50 ps ステップ）を基に調べた結果，表 1 が得られた．平均繰り返し周期は約 1.29 ns で，これは約 775 MHzに相当する（バースト周波数≒775 MHz）．但し，バースト初期の時間間隔は 1.1 ns と短く，約 910 MHz の振動に相当する．測定系の周波数特性を考慮すると，バースト周波数は GHz 帯に及んでいると思われる．
注：USB2.0 のハイスピードモード 6)では，転送速度が480 Mbit/s まで許されており，ESD によって生じた 700
MHz から 900 MHz 程度の周波数成分を含むバースト状

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