JP2010108318A - 静電気保護回路および携帯端末装置 - Google Patents

Abstract

【課題】帯電物などが接近したことを検知し、放電された静電気からデバイスを保護する静電気保護回路および携帯端末装置を得る。
【解決手段】配線パターン２３に接続するデバイス２０を静電気から保護する静電気保護回路であって、近接物体に帯電している静電気を検出する帯電検出部２１と、前記デバイス２０と前記配線パターン２３との間に配設され、前記デバイス２０と放電経路とを切り替えて前記配線パターン２３に接続するスイッチ部２２と、前記帯電検出部２１の出力信号に基づいて前記スイッチ部２２の切り替え接続を制御する制御部１０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、帯電物が接近したときに電子デバイスを静電気から保護する静電気保護回路および静電気保護回路を備える携帯端末装置に関する。

例えば、携帯端末装置などのように、使用される環境が変化する装置は、静電気を帯電している物体と接近することがある。また上記のような装置は、様々な用途に応じたアンテナやコイルなどを備えている。特に、無線通信に用いる上記のアンテナやコイルなどは用途に応じた周波数特性を有している。
周波数特性を有している上記のような構成要素には、静電気の放電が起こり易くなり、上記の装置を構成しているデバイス等を装置外部から放電された静電気により破損する、あるいは正常な動作の障害になることがある。

また、特許文献１には、電子機器の例えば液晶装置に静電気保護回路を備える技術が記載されている。この液晶装置は、装置外周部分を構成する張り出し領域に、外部の回路などと接続される複数の接続端子を備えている。
この接続端子に静電気による過電圧が発生し、過電圧に起因する過電流が表示領域に達することがないように、当該表示領域の上流側において、上記の接続端子から延設された配線パターンに接続している静電気保護回路を設けて、上記の過電流を電源ラインへ逃がすようにしている。

特開２００５−２７４９３２号公報

しかしながら、例えば、アンテナ部やコイル部等を有するデバイスは、当該アンテナ部やコイル部に所定の周波数特性を有している。そのため、上記のアンテナ部やコイル部の周波数特性が静電気の誘導周波数に概ね適合すると、いずれかの物体等に帯電していた静電気がデバイスに放電し易くなり、このようなデバイスは静電気によって損傷する可能性が高くなるという問題点があった。

また、静電気の侵入経路にデバイスを接続したままの状態で、静電気を電源ラインなどへ逃がすように回路構成したときには、静電気を上記の電源ラインなどへ逃がす保護素子を用いている。この保護素子は、容量成分を有しており、例えば、高周波回路、アンテナライン等に接続すると性能劣化をもたらすことがあるという問題点があった。
また、容量成分の小さな保護素子は、耐圧を高く構成することが難しく、そのため、上記のような保護素子を用いた場合には、微細化が進んで静電気耐性が厳しくなったデバイスを静電気から十分保護することは困難であるという問題点があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、帯電物などが接近したことを検知し、放電された静電気からデバイスを保護する静電気保護回路および携帯端末装置を得ることにある。

本発明の第１の観点による静電気保護回路は、導電パターンに接続するデバイスを静電気から保護する静電気保護回路であって、近接物体に帯電している静電気を検出する帯電検出部と、前記デバイスと前記導電パターンとの間に配設され、前記デバイスと放電経路とを切り替えて前記導電パターンに接続するスイッチ部と、前記帯電検出部の出力信号に基づいて前記スイッチ部の切り替え接続を制御する制御部とを備える。

好適には、前記導電パターンは、アンテナパターンおよび／または配線パターンを含む。

好適には、前記デバイスは、ＩＣカード機能を有する信号処理回路を含む。

好適には、前記制御部は、前記帯電検出部が検出した帯電レベルが所定のレベルを超えたときに前記スイッチ部の切り替え動作を制御する。

本発明の第２の観点による携帯端末装置１は、前記静電気保護回路を備える。

本発明によれば、帯電物が接近したときにデバイスを静電気から確実に保護することができる。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
＜実施形態＞
図１は、本発明の実施形態による静電気保護回路を有する携帯端末装置の構成を示すブロック図である。
図示した携帯端末装置１は、通話等のデータ通信を行うアンテナ２、通話等のデータ通信をアンテナ２を用いて行う通信部３、通信内容等を表示する表示部４、および、音声入出力部５、ユーザに設定等の操作を行わせるキー操作部６を有している。

また、携帯端末装置１は、通信動作等の制御データ等を記憶しているメモリ７、電子マネーの決済機能を有するＩＣカード機能部８、当該携帯端末装置の各部に電力を供給する電源部９、および、前述の各部の動作を制御する制御部１０を有している。

ＩＣカード機能部８は、図示を省略したリーダライタ等の外部装置と非接触型決済のＲＦＩＤ通信を行うループアンテナ１１、およびループアンテナ１１を用いて非接触型課金処理を行うＩＣチップ８ａによって構成されている。

ＩＣチップ８ａは、ＩＣカード機能の例えばフェリカ（登録商標）規格によって電子マネー決済の各処理を行う信号処理回路を備えて構成されている。
詳しくは、ＩＣチップ８ａは、上記のＩＣカード機能に則した通信動作ならびに電子マネーの決済処理を制御するＩＣカード制御部１２、および、電子マネー決済に関する各データを記憶しているＩＣカードメモリ１３を有している。

ＩＣカード制御部１２ならびにＩＣカードメモリ１３は、携帯端末装置１が前述のリーダライタの近傍、即ち電磁波を受信したときにループアンテナ１１に発生する電力で動作するように接続構成されている。
また、ＩＣカード制御部１２ならびにＩＣカードメモリ１３は、携帯端末装置１の電源部９から供給される電力によって動作することも可能なように接続構成されている。

メモリ７およびＩＣカードメモリ１３は、課金先、使用日時、課金の種別等を表す課金情報と、当該課金情報を蓄積させた使用履歴と、各課金情報に関連させた課金の種別を表す情報等とを記憶している。
なお、通信部３、表示部４、メモリ７、およびＩＣチップ８ａは、後述するデバイス２０に相当する。
また、図１には、各部を構成する、あるいは各部の間に備えられる静電気保護回路、詳しくは後述する帯電検出部ならびにスイッチ部等の図示を省略している。

図２は、本実施形態による携帯端末装置の構成を示すブロック図である。この図は、図１に示した携帯端末装置１に備えられる静電気保護回路の構成を示している。デバイス２０は、図１に示した各部を構成するデバイスであり、例えば前述のようにＩＣチップ８ａである。
帯電検出部２１は、例えば、表面電位計からなり、携帯端末装置１の図示されない筺体の内部に、また、外部から静電気が侵入することが多いと推測される部位、もしくは当該筺体外部に接近した帯電物を適確に検出することができる部位に配設されている。
また、帯電検出部２１は、検出結果を示す信号を制御部１０へ入力するように接続構成されている。

スイッチ部２２は、二つの端子もしくは接点を切り替え接続する切り替えスイッチであり、配線パターン２３とデバイス２０とを接続し、また、配線パターン２３と接地素子２４とを接続する。即ち、デバイス２０が接続された接点ａと接地素子２４が接続された接点ｂとを切り替えて、配線パターン２３に接続させるように構成されている。
また、スイッチ部２２は、接点等に高周波信号を劣化させるほどの容量を有しておらず、またさらに、静電気等に十分耐えられる耐圧特性を有するように機構部分等が構成されている。
また、スイッチ部２２は、上記の切り替え接続を制御部１０の制御に応じて行うように構成されている。

配線パターン２３は、例えば、携帯端末装置１の電子デバイスを実装している基板に形成されている配線パターンである。具体的には、例えばループアンテナ１１とＩＣチップ８ａとを接続する配線部分である。即ち、配線パターン２３は、高周波信号を伝送する配線部分であり、高周波回路を構成する配線、あるいはアンテナ等と高周波回路等とを接続する配線パターンである。

接地素子２４は、例えばバリスタなどからなり、前述のようにスイッチ部２２が第２の接点に配線パターン２３が接続されると、当該配線パターン２３を接地接続するように、当該携帯端末装置１のＧＮＤパターン等に接続されている。
このように、スイッチ部２２がデバイス２０と配線パターン２３との接続を遮断したとき、配線パターン２３が静電気の放電経路に接続されるように構成する。

なお、接地素子２４は、配線パターン２３が短絡状態とならないように適当な抵抗値を有しており、静電気などの過電圧を上記のＧＮＤパターン等へ逃がす特性を有している。
また、スイッチ部２２が配線パターン２３を接地側へ切り替え接続したとき、この状態において配線パターン２３に接続している各回路などは、接地されることになる。これらの回路が、直接接地されても損傷することがない場合には、接地素子２４を省略してもよい。

また、ここでは配線パターン２３に発生した過電圧を、接地素子２４を介して接地接続し、ＧＮＤパターン等へ逃がすように構成しているが、例えば適当な抵抗値を有する素子を介して、いずれかの電源パターンへ接続するように構成してもよい。

図２に示した静電気保護回路を複数備え、携帯端末装置１の適当な位置に各々の回路、具体的には帯電検出部２１および／またはスイッチ部２２を配設してもよい。例えば、静電気保護回路を、静電気から保護するデバイス毎、あるいは、静電気が侵入し易い配線パターン毎に設け、当該携帯端末装置１に接近した帯電物から放電される静電気から有効にデバイスを保護するように構成する。

次に動作について説明する。
［携帯端末装置の動作］
携帯端末装置１は、キー操作部６になされた操作内容に応じて制御部１０が各部を制御し、例えば通信部３を制御して外部とのデータ等の送受信を行い、当該データが示す音声を音声入出力部５から出力する。
また、音声入出力部５へ入力された音声を所定のデータ形式に変換し、通信部３を用いて外部へ送信する。上記の通信動作を行うとき、通信先等の情報を表示部４に表示させる。

また、制御部１０は、このような通信動作を行うとき、メモリ７に記憶されている制御プログラム、通信先などに関するデータ等を用いる。

［ＩＣカード機能の動作］
携帯端末装置１を、課金システムを構成する例えば駅の改札機等の図示を省略したリーダライタにかざす。
上記のリーダライタにかざされた携帯端末装置１は、ＩＣカード機能部８が作動して、リーダライタ等から発信されているＩＣカード機能の規格に則ったＲＦ電波を、ループアンテナ１１を用いて受信する。
ＩＣカード制御部１２は、ループアンテナ１１を介して前述のリーダライタから受信した課金情報／電子マネーの決済情報を元に、ＩＣカードメモリ１３に記憶されている電子マネーの残高情報を書き換えて電子マネーの決済を行う。

ＩＣカード機能部８は、前述の電子マネー決済を行うとき、携帯端末装置１の電源がＯＮ状態のときには当該電源部９から供給される電力を用いて動作する。また、携帯端末装置１の電源がＯＦＦ状態のときには、ループアンテナ１１を用いてリーダライタから発せられている電磁波を電源電力として動作する。
ＩＣカード機能部８、もしくはＩＣチップ８ａは、上記のように携帯端末装置１の電源がＯＦＦまたはＯＮのいずれの場合であっても、同様な課金体系、即ち同様な電子マネーの決済処理を行う。

携帯端末装置１は、例えば前述のように動作する通信機能ならびにＩＣカード機能を備えており、また、図示を省略したカメラを用いた撮像機能などの各機能を備えている。ここでは、携帯端末装置１を構成する上記の各部等によって実現される機能の動作説明を省略する。

［デバイスを静電気から保護する動作］
図３〜図６は、本実施形態による静電気保護回路の動作を示す説明図である。図３〜図６に示した帯電物３０は、正または負の電荷を帯電させている、即ち静電気を帯電している物体である。この帯電物３０は、例えば、前述のリーダライタの外装部分、ユーザの指先、ユーザが身に付けている衣服などである。
帯電検出部２１は、例えば、電源部９から電源電力を得て、制御部１０などと供に常時稼働し、携帯端末装置１に接近する帯電物等の有無を監視する。

制御部１０は、通常、即ち、帯電検出部２１の出力信号が、帯電物３０を検出した旨を示していないときには、スイッチ部２２を制御して図３（ｂ）に示したようにデバイス２０と配線パターン２３とを接続する。

前述のようにデバイス２０が配線パターン２３に接続された状態となっているとき、例えば、図３（ａ）に示したように帯電物３０が破線の矢印方向に移動し、携帯端末装置１へ接近する。

帯電検出部２１は、図４（ａ）に示したように携帯端末装置１の近傍に帯電物３０が接近すると、周辺電位の変化を検知する。即ち、帯電物３０が帯電している電位を検知し、当該帯電物３０の接近を検出した旨を示す信号を出力する。詳しくは、帯電検出部２１は、帯電物３０が帯電している静電気の電位を検出し、当該電位を示す信号を制御部１０へ出力する。

図４（ａ）に示した状態において、帯電物３０が有している静電気を検知した制御部１０は、当該検出した静電気の電位が所定のレベル以上であれば、図４（ｂ）に示したように、スイッチ部２２を制御して配線パターン２３の接続切り替えを行う。具体的には、デバイス２０と配線パターン２３との接続を遮断し、当該配線パターン２３を接地素子２４を介して接地接続させる。

制御部１０は、上記の帯電検出部２１の出力信号が示す静電気の電位が所定のレベル以上であるか否かを判定するときには、例えば予め設定されている閾値を用いる。
前述の閾値は、例えば制御部１０自ら備える記憶手段などに記憶されており、携帯端末装置１に対して所定の距離まで接近した帯電物３０から検出される電位に対応する値を有している。
換言すると、後述するように帯電物３０から携帯端末装置１へ静電気の放電が起きる前の電位に対応する値を有している。
このような値の閾値を使用することにより、静電気の放電が起こる以前に制御部１０がスイッチ部２２を制御して、デバイス２０と配線パターン２３との接続を遮断することが可能になる。

前述のように携帯端末装置１に帯電物３０が近接していると、図５（ａ）に示したように帯電物３０に帯電していた静電気が携帯端末装置１へ誘導され、静電気の放電が発生する。
静電気が放電するときの誘導周波数が、携帯端末装置１に備えられる高周波回路を構成する、例えばアンテナ部やコイル部に共振する周波数であった場合、上記のような高周波部品等に電磁誘導が発生する。
このように高周波部品等に共振して侵入した静電気は、例えば、前述のように高周波部品などに接続する配線パターン２３に帯電する過電圧あるいは過電流を生じさせる。図５（ｂ）では、前述のように配線パターン２３へ侵入した静電気を矢印Ａによって示している。

このとき、スイッチ部２２は、図５（ｂ）に示したように配線パターン２３を接地素子２４へ接続しているので、配線パターン２３に帯電している静電気、あるいは配線パターン２３に生じた過電流は、接地素子２４を介してＧＮＤパターン等へ流れ込む。
このようにして、帯電物３０から放電された静電気をＧＮＤパターン等へ吸収させ、デバイス２０に達しないようにする。

前述のように静電気を放電することにより、図６（ａ）に示したように帯電物３０が消滅する。なお、帯電していた物体は消滅していない。
図６（ａ）に示したように帯電物３０が携帯端末装置１の近傍から無くなることにより、帯電検出部２１の出力信号は、帯電物を検出した旨を示していない信号、即ち、高電位の静電気が検出されていない旨を示すものとなる。

このような帯電検出部２１の出力信号を入力した制御部１０は、図６（ｂ）に示したように、スイッチ部２２を制御して接点の接続切り替えを行い、配線パターン２３とデバイス２０とを接続する状態にする。

図３〜図６を用いて説明した動作は、配線パターン２３へ静電気が侵入する場合であるが、例えば携帯端末装置１を構成するアンテナパターン等に侵入した静電気に対しても、同様にデバイス２０を保護することができ、また、当該静電気をＧＮＤパターン等へ吸収させることができる。

図７は、本実施形態による携帯端末装置の構成を示す説明図である。この図は、携帯端末装置１を構成する筺体４０の内部に備えられる基板４１を示している。なお、筺体４０の図中上側の開高部を塞ぐ筺体、即ち筺体４０に係合する蓋部分をなす筺体の図示を省略している。
筺体４０の内部に設置固定されている基板４１は、前述の各部を構成するデバイス、電子部品等が実装されており、各々の機能を実現する電子回路が備えられている。また、基板４１は、図中破線で示した当該基板４１の裏面側にアンテナパターン４２が設けられている。

図１に示したループアンテナ１１は、例えば、基板４１の概ね中央部分において、当該基板４１の裏面側にアンテナパターン４２としと形成され、携帯端末装置１の背面側となるように配設されている。

また、通信部３に接続されているアンテナ２は、ループアンテナ１１と離間されて携帯端末装置１を構成する、いずれかの基板に設けられており、当該筺体の内壁に接触する、あるいは極めて上記の内壁に近い位置に配設されている。

上記の各アンテナは、いずれも携帯端末装置１の筺体の内壁に近接して設けられている。このように配設されている各アンテナと接続されているデバイスを保護するために、前述のスイッチ部２２を各配線パターンあるいはアンテナパターンの途中に設ける。

前述の基板４１には、図７に例示したように配線パターン２３が設けられている。この配線パターン２３は、例えば、基板外縁部分に配設されており、筺体４０に基板４１が格納されたとき、筺体４０の内壁に近接する。
特に、ここで例示したように配設されている配線パターン２３には、筺体４０の外部から静電気が侵入し易い。そのため、デバイス２０の端子等の近傍において、配線パターン２３とデバイス２０との間にスイッチ部２２を設けて、デバイス２０を静電気から保護するように構成するとよい。

前述のように帯電物３０に帯電している静電気は、例えば携帯端末装置１に接近したとき誘導周波数をもって放電される。
図８は、帯電物から静電気が放電される際の放電電流波形を示す説明図である。この図は、ＩＥＣ６１０００−４−２規格に準拠する静電気放電イミュニティ試験により観測される放電電流波形の一例を表している。
図８において、横軸は経過時間［ｎｓｅｃ］、縦軸は最初の放電ピーク電流値を１００［％］として、各経過時間における放電電流の大きさを表している。

空気中において、帯電物３０から携帯端末装置１などの電子機器へ静電気が放電される際にも図８に示した電流波形と同様な放電電流が生じる。
図示した波形は、放電が開始されてから最初の放電ピーク電流に達するまで０．７〜１．０［ｎｓｅｃ］を要している。また、最初のピーク電流に達した後、概ね３０［ｎｓｅｃ．］までの間に電流値が増減して振動するように変化し、概ね最初の放電ピーク電流値の半値に減少する。
また、放電電流値は、３０［ｎｓｅｃ］経過以降は徐々に減少し、６０［ｎｓｅｃ］経過時点で、放電ピーク電流値の１／４程度に減少する。

前述のようにように変化する放電電流は、ＩＣカード機能の規格である、例えばフェリカ（登録商標）規格において使用されている周波数１３．５６［ＭＨｚ］の電磁波の周期の整数倍に適合する。即ち、放電電流が変化するときの周期が、ＩＣカード機能にて用いている通信電波の周期の整数倍と概ね同様となり、ＩＣカード機能用に備えたループアンテナ１１などに共振する。

前述のようにループアンテナ１１などが放電電流の周期に共振することから、ループアンテナ１１等には静電気が誘導され易くなり、前述のように帯電物３０が接近すると、比較的頻繁に放電が起こることになる。
このことから、ＩＣカード機能のデータ通信用の周波数を有する信号を取り扱う電子回路、特に高周波回路やアンテナ部、またこれらのデバイス等を接続する高周波伝送用の配線パターンには、通常以上に装置外部から静電気の放電によりＧＮＤパターンに誘導気電力が発生し、デバイス等へ間接的に放電し易くなる。

そのため、これらの高周波回路、高周波を取り扱うデバイス等には、前述のような静電気保護回路を備え、アンテナ等から侵入する静電気をＧＮＤパターンなどへ吸収させる放電経路を設けておく必要がある。
上記のように、高周波回路等を成すデバイス２０には外部から静電気が侵入し易いため、前述のような放電保護回路を備えておく。

以上のように本実施形態によれば、携帯端末装置１に接近した帯電物を検出する帯電検出部２１と、デバイス２０と放電経路とを切り替えて配線パターン２３に接続するスイッチ部２２と、帯電検出部２１の検出結果に応じてスイッチ部２２の切り替え動作を制御する制御部１０とを備えた。
このことによって、帯電物３０が携帯端末装置１に接近した時点でデバイス２０と配線パターン２３との接続を遮断し、また配線パターン２３を放電経路に接続することができる。

また、帯電物３０が接近すると、静電気の放電が起き易い配線パターン２３からデバイス２０の接続を遮断しているので、静電気による過電圧あるいは過電流から、静電気耐性の弱いデバイス２０を確実に保護することができる。
また、高周波信号の処理に障害が生じるほどの容量を有さず、また静電気の放電電圧に十分耐えられる機構部分を有するスイッチ部２２を用いた。このことにより、高周波回路やアンテナ部のようにインピーダンスやリアクタンスの変動に敏感な部分においても、スイッチ部２２を備えて高周波信号を処理するデバイス２０を静電気から保護することができる。

また、デバイス２０と配線パターン２３との接続を遮断したとき、配線パターン２３に接地素子を接続するようにしたので、帯電物３０が携帯端末装置１に近傍に存在しなくなった後に配線パターン２３に帯電している過電圧を除去することができる。即ち、スイッチ部２２が接地素子２４からデバイス２０へ接続切り替えを行ったときに、デバイス２０が静電気によって破損することを防ぐことができる。
また、デバイス２０が配線パターン２３と接続されているときには、接地素子２４は、デバイス２０などの高周波信号を処理する部分に接続されていないので、接地素子２４が高周波信号を劣化させる容量を有する接地素子２４を使用することもできる。

本発明の実施形態による静電気保護回路を有する携帯端末装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態による携帯端末装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態による静電気保護回路の動作を示す説明図である。 本実施形態による静電気保護回路の動作を示す説明図である。 本実施形態による静電気保護回路の動作を示す説明図である。 本実施形態による静電気保護回路の動作を示す説明図である。 本実施形態による携帯端末装置の構成を示す説明図である。 帯電物から静電気が放電される際の放電電流波形を示す説明図である。

符号の説明

１…携帯端末装置、２…アンテナ、３…通信部、４…表示部、５…音声入出力部、６…キー操作部、７…メモリ、８…ＩＣカード機能部、８ａ…ＩＣチップ、９…電源部、１０…制御部、１１…ループアンテナ、１２…ＩＣカード制御部、１３…ＩＣカードメモリ、２０…デバイス、２１…帯電検出部、２２…スイッチ部、２３…配線パターン、２４…接地素子、３０…帯電物、４０…筺体、４１…基板、４２…アンテナパターン。

Claims (5)

1. 導電パターンに接続するデバイスを静電気から保護する静電気保護回路であって、
   近接物体に帯電している静電気を検出する帯電検出部と、
   前記デバイスと前記導電パターンとの間に配設され、前記デバイスと放電経路とを切り替えて前記導電パターンに接続するスイッチ部と、
   前記帯電検出部の出力信号に基づいて前記スイッチ部の切り替え接続を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする静電気保護回路。
2. 前記導電パターンは、アンテナパターンおよび／または配線パターンを含むことを特徴とする請求項１に記載の静電気保護回路。
3. 前記デバイスは、ＩＣカード機能を有する信号処理回路を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の静電気保護回路。
4. 前記制御部は、前記帯電検出部が検出した帯電レベルが所定のレベルを超えたときに前記スイッチ部の切り替え動作を制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の静電気保護回路。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の静電気保護回路を備えることを特徴とする携帯端末装置。

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