J. Inst. Electrostat. Jpn.

静電気学会誌，36, 1 (2012) 31-36

静電気放電発生箇所検出システムの開発
宏*，1，加藤 正明**

尾前

(2011 年 9 月 12 日受付；2011 年 12 月 12 日受理)

Development of a Practical ESD Detector System
Hiroshi ONOMAE*，1 and Masaaki KATO**(Received September 12, 2011; Accepted December 12, 2011)

We developed a system for detecting the generating position and correct time of electro static discharges(ESD). Four antennas are installed near the device under tests， and the electromagnetic waves
accompanying ESD are recorded with a digital oscilloscope， and the position of the source of ESD is
computed by a hyperbola method. By using the visible laser range finder on the positioning tool，
installation of a detection system and the specific work locating of the source of ESD can be done withhigh precision in a short time. In the case of the used oscilloscope (20 GS/s)， the theoretical calculation
error was about 5 cm， and the experimental error was about 11 cm. In the experiment conducted with
the ESD testing machine (IEC61340-3-1 HBM)， ESD of 40V in (x:3 m, Y:3 m, Z:-0.5 m) has been
detected. In the experiment conducted with the ESD testing machine (IEC61000-4-2 HBM)， ESD of
200 V in the range of (X:15 m, Y:6.5 m, Z:-0 m) has been detected. The source and the cause of the ESD
which had occurred in the actual manufacturing site have also been specified.
1.

はじめに電子部品の小型化や高機能化などに伴い，電子関連の製造現場では静電気によるトラブルが深刻化し既に様々な静1)2.

開発したシステムの概要

2.1

システム構成今回開発した検出システムは，図 1 に示すように，被測電気対策が行われている 。ところが，県内企業に行った定物の周辺に設置する 4 本の受信アンテナ(以後，アンテナ)，

アンケートによると，静電気放電が原因と思われる不良品計測器(Digital Storage Oscilloscope：DSO)，制御用 PC 等での発生を完全に無くす事は難しく，いつ，どこで静電気放構成される。アンテナ①の設置場所を検出システムの測定

電が発生したかを特定できずに困っているとの回答が多か基準点とし，アンテナ①を原点とした Y 軸線上にアンテナ2-5)も行われ②を，X 軸線上にアンテナ③を，Z 軸線上にアンテナ④をていたが，そのままでは，条件の異なる様々な生産現場等それぞれ設置する。アンテナ①とアンテナ②，③，④とので，実用的に用いることは難しいと思われた。そこで，様々距離は，それぞれ任意で良いが，厳密に測長する必要があな製造工程に柔軟に対応し，実用的に使用可能な静電気放る。

った。静電気放電等の発生位置を特定する研究

電発生箇所検出システムを開発した。本論文では，開発し静電気放電が発生した際の電磁波は，4 本のアンテナでたシステムの概要や評価結果，実環境で発生していた静電受信され，計測器において同一時間軸の 4 チャンネル(ch)気放電の検出事例などについて報告する。

分の電圧波形として記録される。そこで得られた受信波形
データを制御用 PC に取り込み，各 ch のデータ毎に，電磁波が到達したポイント(電磁波到達基準点)を特定する。そキーワード：静電気，放電，検出，特定，双曲線* 鹿児島県工業技術センター(899-5241 霧島市隼人町小田1445-1)
Kagoshima Prefectural Institute of Industrial Technology, 1445-1
Oda, Haytocho, Kirishima 251-8522, Japan** 日本計器鹿児島製作所 (897-0302 南九州市知覧町郡5159-1)
NIPPON KEIKI KAGOSHIMA Co., Ltd., 5159-1 Koori,
Chirancho, Minamikyushu 897-0302, Japan1
onomae@kagoshima-it.go.jpの後，アンテナ①(ch1)とアンテナ②，③，④(ch2，3，4)の電磁波到達基準点との時間差をそれぞれ求め，アンテナの配置と時間差の情報から双曲線法を用いて放電源の位置を算出し，静電気放電を検出した時刻情報も含めて表示や記録を行う。
なお，静電気放電には，火花放電，ブラシ放電，沿面放電など様々な放電があるが，本システムでは，主に，火花放電を対象としている。

32

静電気学会誌

Receiving
Antenna②
Receiving
Antenna④

第 36 巻

第 1 号 (2012)+YExp.)Manufacturing machineElectromagnetic
Radiation
ESD Source

Receiving data（Ant①～③)
Receiving
Antenna②Hyperbola
t②①

ESD Source

Electromagnetic
Radiation

Receiving
Antenna①+X

Reference
Point

DSO※+PC

Receiving
Antenna①

Receiving
Antenna③②
ｔ②①

Receiving
Antenna③③

Y
Z①↑Volt→Time

Hyperbolat③①

Xｔ③①※DSO：Digital Storage Oscilloscope

図 1 検出システムの概念

図 2 双曲線法(基本)Fig. 1 Conceptual diagram of ESD detector system.

Fig. 2 Hyperbolic method.

2.2

放電箇所検出手法(双曲線法)

１双曲線とは，ある平面に存在する 2 点からの距離の差が一定であるような曲線の総称である。
図 2 において，XY 平面の原点にアンテナ①，Y 軸線上の任意の位置にアンテナ②，X 軸線上の任意の位置にアン+Z
ESD Source

Hyperbola
t④①+Y

Receiving
Antenna④２+Y+Z

make onerevolution

Receiving
Antenna①+X３+Z+X

４ Cross Section(XY) +Y+Y

テナ③が存在し，ＸＹ平面上の任意の場所に放電源が存在+X
Receiving Receiving
Antenna① Antenna③+X離に応じた時間差を伴って，各アンテナに到達し，例えば，Receiving
Antenna③

アンテナ①と②の場合，ｔ②①の到達時間差が生じる。

を求める場合，アンテナ①②と放電源との距離の差がｔ②①

Receiving Antenna④

Receiving
Antenna②放電に伴い発生した電磁波は，各アンテナと放電源との距逆に，アンテナ①②に対する到達時間差から放電源の位置

Receiving Antenna②

ESD Source

しているとする。

Hyperbolat②①

Hyperbolat④①

Hyperbolat③①

図 3 双曲線法(実環境(3 次元空間)への応用)
Fig. 3 Hyperbolic method for 3-D space.となる点は無限に存在し，それらの点を結んだ曲線が双曲線ｔ②①であり，その線上のどこに放電源があるかは特定でき

そこで，反射物が多い環境の場合，アンテナ間隔を狭くし，ない。そこで，アンテナ①と③とで得られる双曲線ｔ③①も全ての受信アンテナに直接波が届くように工夫する必要が求め，二つの双曲線の交点を求めることで，XY 平面上の放ある。

電源の位置を特定することができる。

2.3

試作した検出システム

実空間の場合，3 次元空間における放電源の位置を特定

図 1 の基本構想に基づき，最初に開発したシステムを図する必要があるため，図 3[1]のように，Z 軸上にアンテナ4 に示す。このシステムは，アンテナ②，③を個別に設置④を追加し，XZ 平面における双曲線を求める。

するタイプで，アンテナどうしの間隔が広く，比較的広い

実際の放電源は，アンテナ④①を結ぶ軸線に対して 360 度の空間のどこに存在しているか分からないため，図 3[1]で算測定領域を対象としている。
Receiving Antenna④出した双曲線を，図 3[2]のように，2 本のアンテナ④①を結ぶ軸線を中心に 360 度回転させた曲面に展開する。
アンテナ②①，③①で得られた双曲線についても，図 3[3]のように曲面化し，それらの双曲線の交点を求めることで，
図 3[4]のように，3 次元空間における放電源の位置を特定

Receiving Antenna①1m

DSO+PC

Receiving Antenna③3m3mすることができる。
ESD Source

なお，複数の場所で，ほぼ同時に静電気放電が生じると，それらの電磁波が合成され，放電位置を正しく算出できな

Receiving
Antenna②

3m3m

い場合がある。また，電磁波を反射する金属体などで，受信アンテナに直接波が到達しない場合，アンテナ間の電磁図 4 検出システム 1(アンテナ②③分離タイプ)

波到達時間差を正しく求められず，算出誤差の要因となる。

Fig. 4 ESD detector system 1(Antenna2，3 separate type).

33

静電気放電発生箇所検出システムの開発（尾前・加藤）
このシステムを実用的に用いるためには，4 本のアンテ場合，算出された方位角，仰角にレーザー光の照射角度をナを正確に位置合わせする作業と，算出された放電源の位調整し，放電源までの直線距離を測長して，レーザー光を置を特定する作業を短時間で精度良く行う必要がある。製放電源の位置へ到達させる。

造現場等の実環境には，様々な製造装置などが存在し，検もし，途中に障害物が存在する場合，算出された XYZ出システムを設置する場所は様々な制約を受ける。また，座標値を基に，レーザー距離計の測長機能と，光の向きを算出された放電源の位置を特定する際に，被測定領域の製高精度に 90 度反射させる治具を複数用いることで，障害物造装置類と検出システムとの位置関係について正確に採寸を避ける経路で，放電源の位置までレーザー光を到達させする作業が必要不可欠だと，かなりの時間を有することにることもできる。

なる。これらの問題を解決する方法として，図 5 に示すよ

これらの方式であれば，検出システムに対する被測定物

うな可視レーザー距離計を用いた位置合わせ治具を開発しの位置情報が不要なため，放電源の特定作業が数分で完了た。

できる。なお，被測定領域に存在する装置等の寸法情報をこの治具は方位角，仰角の 2 軸の高精度回転ステージに検出システムに登録することも可能で，解析ソフト上で，可視レーザー距離計を取り付けた物で，回転軸の中心と距放電源の位置と被測定物の位置関係を確認することができ離計の測長基準点の位置を一致させており，その点を測定る。
図 4 の検出システムでは，測定場所を変える度に，アン基準点とする。
本検出システムのアンテナを設置する場合，被測定物付テナ②③の設置作業が必要であったため，図 6 に示すよう近の任意の場所に，三脚に取り付けた位置合わせ治具を設に，全アンテナを一つの治具に取り付け，システム全体を置し，測定基準点を原点とした水平面上で X 軸，Y 軸の方台車に搭載したシステムも開発した。

位を任意に決める。その後，Ｙ軸線上にレーザー光を照射

このシステムでは，アンテナの位置合わせ作業が不要とし，光線上の任意の位置にアンテナ②を設置し，測定基準なり，可搬性も大幅に向上し，広い工程内を，通路に沿っ点との距離を測長する。同様にＸ軸線上にアンテナ③を設て 6 m × 6 m 程の領域に分割して監視するような運用方法

置した後，位置合わせ治具を三脚から取り外し，代わりにが可能となった。

受信アンテナ①④固定治具を取り付けることで，検出シス

図 7 に，本システムの制御ソフトの表示画面を示す。本テムで用いる 4 本の受信アンテナを短時間に精度良く設置

制御ソフトでは，計測器の設定，アンテナや被測定物の配することができる。

置情報，双曲線法による放電源の算出などを行う。画面上

また，算出された放電源の位置を特定する際は，アンテ
ナ①④固定治具を三脚から取り外し，代わりに位置合わせには，受信波形データ，放電源の算出結果，放電源の位置を示す図(XY 図，XZ 図，YZ 図)を表示する。

治具を三脚に取り付け，下記の手順で行う。
測定基準点から放電源までの間に，障害物が存在しない

Receiving
Antenna④

Laser ranger
90cm
Receiving
Antenna③+90°

Reference Point(rotation center)

angle

90cm

DSO+PC

Receiving
Antenna①
90cm

Receiving
Antenna②-33°
Hand Cart

Azimuth:360°
図 5 位置合わせ治具

図 6 検出システム 2(全アンテナ一体型)

Fig. 5 Tool for alignment.

Fig. 6 ESD detector system 2 (Uniting type).

34

静電気学会誌

第 36 巻中放電用の金属棒を約 5mm の間隔で対向させ，二つの金Top view(XY)

Raceiving
Wave Data

第 1 号 (2012)

属棒の先端間で放電させた。

Receiving
Antenna②

ESD Source

表 1 放電源算出精度の算出条件
Receiving
Antenna③

Receiving Antenna①
Reference Point

Side view(XZ)

Side view(YZ)

ESD source
Position data

Receiving
Antenna④

Table 1 Test condition of Accurate of ESD source.
Distance of antennas②①: 3 m, ③①: 3 m, ④①: 1 m

ESD source position

X:3m, Y:3m,Z:0m

Sampling rate of DSO

20 GS/s (0.05 ns)

ESD source
ESD Source

Metallic collision tool

ESD Source

表 2 最小放電電圧評価時の試験条件
図 7 検出結果の表示画面

Table 2 Test condition of minimum ESD voltage test.

Fig. 7 Display of detection result.

Distance of antennas②①:90 cm, ③①:90 cm, ④①:90 cm

ESD source position

X1m

2m3m

Y

1m2m3m

Z

-0.5m

-0.5m

-0.5m

3.
3.1

評価実験
放電源の算出精度

双曲線法により放電源の位置を算出する際の誤差は，アンテナ間の電磁波到達時間差の誤差によって主に生じる。
到達時間差の誤差要因としては，各アンテナの設置位置の誤差(誤差要因 1)，検出システムで用いる計測器(デジタSampling rate of DSO

20 GS/s (0.05 ns)

ESD source

ESD test machine

Discharge mode

HBM (IEC 61340-3-1)

Voltage10～100 V (10 V step)

ルオシロスコープ)のサンプリング速度による誤差(誤差要因 2)，各アンテナから計測器までの電気長の違いによる誤差(誤差要因 3)などが主に考えられる。

表 3 移動する放電源のトレース実験時の試験条件
Table 3 Test condition of Tracing experiments.

誤差要因 1 については，測定前の位置合わせ作業を厳密Distance of antennas②①: 3 m, ③①: 3 m, ④①: 1 mに行うことで対応することとし，誤差要因 3 については，

ESD source position

X: 0.5～15 m, Y: 1～6.5 m, Z:0m

実際に使用する 4 本のアンテナと同軸ケーブル類の電気長Sampling rate of DSO

20 GS/s (0.05 ns)の違いを実験で求め，解析ソフト上で補正することで対応

ESD source

ESD test machine

した。誤差要因 2 については，計測器自体の性能であり，Discharge mode

理論的に求めることができるため，表 1 の条件における算Voltage

HBM（IEC61000-4-2)
200 V

出誤差について理論的誤差と実験とを行った。
3.2

検出可能な最小放電電圧の評価実験

電子関連企業などにおける静電気管理技術として広く普(6)4.

結果及び考察4.1

放電源の算出精度

静電気管理電圧 100 V及している IEC61340-5-1 規格 では，

表 1 の試験条件における理論値の計算結果と実験での算を一つの目安としている。そこで，半導体デバイス向けに出結果を表 4 に示す。表 1 の条件における正確な到達時間

制定された静電気放電試験規格(IEC61340-3-1)に準拠し，放差は(A)列の値であるが，実際には使用する計測器のサンプ電電圧を 10 V～4 kV まで設定可能な試験機を模擬放電源

リング速度(20GS/s) のため，(B)列のように 0.05 ns 単位にとして，表 2 の試験条件で，本検出システムで検出可能な丸められ，算出位置に，約 2 cm の誤差が生じた。次に，(B)

距離範囲を評価した。

列の条件に対して到達時間差の誤差が最大になる(C)列(D)

広い範囲における放電源のトレース実験列の条件での総合誤差は約 5 cm である。これらに対し，実静電気放電の検出システムには，なるべく広い範囲のな験での誤差は(E)列のように約 11 cm であった。この誤差にるべく微弱な静電気放電を精度良く検出することが望まれは，アンテナや模擬放電源の設置位置の誤差が含まれている。そこで，表 3 の試験条件により，放電源の位置を移動るので，その改善方法についても，今後，検討したい。

3.3

させ，その位置をトレースする実験を行った。
本実験では，IEC61000-4-2 規格準拠の静電気放電試験器の放電ガンに接触放電用の金属棒を取り付け，接地した気4.2

検出可能な最小放電電位の評価結果

実験時の機器の配置例を図 8 に示す。
電磁波到達基準点の電圧レベルが±10 mV を超えている35

静電気放電発生箇所検出システムの開発（尾前・加藤）
表 4 放電位置算出誤差の理論値と実験値
Table 4 Theoretical value and experimental data of accurate of ESD source position.
(Ａ)

(Ｂ)

(Ｃ)

(Ｄ)

(Ｅ)

Differential arrival

Differential arrival

Differential arrival

Differential arrival

Experimental

time (real)time (0.05 ns step)time (B+0.025 ns)

time (B-0.025 ns)

data

Differential

t ②①

4.1421

4.15

4.175

4.125

4.15

arrival time

t ③①

4.1421

4.15

4.175

4.125

4.075

(ns)

t ④①

-0.3875-0.4-0.425-0.375-0.325

ESD source

X300

300.57302.44298.77296.83

position

Y300

300.57302.44298.77

299.07(cm)Z0-1.73-5.35

1.838.43

1.91

4.48

4.38

10.93

Distance of total error(cm)ことを判定基準とした結果，測定基準点から放電源までの4.3

距離が X :1 m， Y :1 m，Z:- 0.5 m の場合，最小 20 V の放実験時の検出システムや模擬放電源の様子を図 10 に，ト電まで検出し，X:3 m， Y:3 m，Z: -0.5 m の場合，図 9 に示

レース結果を図 11 に示す。最小放電電圧が 200 V まで設定すように，最小 40 V の放電まで検出できた。

可能な電子機器用の静電気放電試験機を模擬放電源とし，広い範囲での放電源のトレース結果

16 m×7.5 m の部屋の壁付近 (15 m×6.5 m) を直線的に移ESD detector system
ESD detector system

Z:-0.5m
Max:16.3m15m

ESD source
X:1m
Y:1m6.5ｍ

図 8 検出可能な最小放電電圧評価時の配置例

ESD Source:200V

Fig. 8 Deployment of minimum ESD test experimentation.
図 10 トレース実験時の配置例
Fig. 10 Deployment of trace experimentation.

6.5m
15m

図 9 放電源算出結果(X:3, Y:3, Z:-0.5 m 40 V)
Fig. 9 Calculation result(X:3, Y:3, Z:-0.5 m 40 V).

図 11 模擬放電源のトレース結果
Fig. 11 Result of trace experimentation.

36

静電気学会誌

第 36 巻

第 1 号 (2012)

動させながら断続的に放電 (200 V)した結果，実施した全を滑らせることで電子部品が帯電し，金属製トレーに接触しての範囲で放電源が移動する様子をトレースできることをた瞬間に放電していることが判明した。この放電による電子確認した。

部品への影響は皆無であったが，万全を期すため，静電気対策トレーに変更するなどの対応を図った。

5.

実環境での放電検出事例

共同研究者である(株)日本計器鹿児島製作所における静Microscope

電気放電の発生状況を調査した中から，電子部品の外観検査工程での放電検出事例を示す。

Work bench

この事例では，図 12 に示すように，作業者が，3 列に並Acrylic plate
Metallic tray

んだ作業台で，光学顕微鏡による目視検査を行っており，その周辺の床面に検出システムを設置して静電気放電の監視を行った。その結果，図 13 に示すように，作業者Ｄの手元付近で静電気放電が発生していることが判明した。
この現象は，各作業者の手元でも，不定期に検出され，作Worker

業者の動きと放電検出のタイミングを比較して原因究明したElectronic parts

結果，図 14 に示すように，アクリル製の板に載せた電子部品を，検査終了後に金属製のトレーに移す際，アクリル板上を図 14 静電気放電が発生していた作業環境
Fig. 14 Work environment which ESD generated.

Work bench(a)Work bench(b)WorkerA

WorkerC

WorkerB

6.

今回の技術開発により，検出可能電位や算出位置精度にReceiving
Antenna②
Work bench(d)WorkerD3m

Worker Model[Top View]

Work bench(e)

60cm

②

WorkerE

60cm①

WorkerF

Receiving
Antenna③③

ついて，実用的に十分な機能と性能を有する静電気放電発生箇所検出システムを開発し，実際の電子部品製造工程で発生していた放電源とその発生原因も特定することができた。今後は，講習会などを通じて本システムを幅広く公知[Side View]

Work bench(f)140cm

Receiving
Antenna①④

まとめ3m

すると伴に，電子関連企業への技術指導などに活用したい。
本成果の一部は，(独)科学技術振興機構(JST)の平成 20

図 12 実環境の配置

年度地域イノベーション創出総合支援事業(FS 事業)及び，Fig. 12 Deployment of actual environment.

平成 21 年度-22 年度の研究成果最適展開支援事業(地域ニーズ即応型)により実施した。その支援に謝意を表する。

参考文献
1） 藤江明雄：2005 年度静電気障害防止技術シンポジウム，
ESD Source(Worker D)

p.33 (2005)
2） 藤江明雄：RCJ 信頼性シンポジウム発表論文集，13(2003) 193
3） D.L. Lin ， L.F. DeChiaro and M.C. Jon: EOS/ESD
Symposium 97， p.88 (1997)
4） Joe Berniier, Gregg Croft and Rex Lowther : EOS / ESD
Symposium 97, p.83 (1997)

ESD Source(Worker D)

ESD Source(Worker D)5） 渡辺壮一，伊藤建一，佐藤拓朗， 星子芳三郎： 信学
論 B, J84-B No.6 (2001) 1033-1042

図 13 実環境での放電検出例(作業者 D の手元付近)
Fig. 13 Examples of discharge detection(Worker D).

6） 二澤正行：静電気管理技術の基礎，プラスチックス・エージ (2004)