| 【発明の名称】 |
ＥＭＩシミュレーション装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】森本 倫弘
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| 【要約】 |
【課題】電源層、接地層及び筐体が形成する電磁界の影響による新たな電磁波ノイズを考慮に入れ、プリント配線板における信号配線層が形成する電磁界に基づいて、電子機器から放射される電磁波ノイズの周波数特性を算出することにより、電磁波ノイズの周波数特性を正確に把握でき、ＥＭＩに対する適切な対策を講じることができるようにする。
【解決手段】金属導体及び面状導体が平面アンテナとして作用することによって放射される電磁波ノイズを算出し、信号配線から放射される電磁波ノイズに加算して、電子機器の放射する電磁波の周波数特性を算出する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 （ａ）金属導体及び面状導体の寸法、並びに、前記金属導体と前記面状導体との距離等の数値が入力される入力手段と、（ｂ）計算式及び前記数値が格納される記憶手段と、（ｃ）前記記憶手段から前記計算式及び前記数値を読み出し、前記金属導体及び前記面状導体が平面アンテナとして作用することによって放射される電磁波ノイズを算出し、信号配線から放射される電磁波ノイズに加算して、電子機器から放射される電磁波の周波数特性を算出する演算手段とを有することを特徴とするＥＭＩシミュレーション装置。
【請求項２】 （ａ）グランド層及び電源層の寸法等の数値が入力される入力手段と、（ｂ）計算式及び前記数値が格納される記憶手段と、（ｃ）前記記憶手段から前記計算式及び前記数値を読み出し、前記グランド層及び前記電源層が平面アンテナとして作用することによって放射される電磁波ノイズを算出し、信号配線から放射される電磁波ノイズに加算して、電子機器から放射される電磁波の周波数特性を算出する演算手段とを有することを特徴とするＥＭＩシミュレーション装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＥＭＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：電磁障害）シミュレーション装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ＥＭＩシミュレーション装置においては、電子機器によるＥＭＩをシュミレートするために、プリント配線板上に形成された信号配線層における信号線を通って送信される信号の電流成分を計算し、該電流成分が形成する電磁界を解析し、前記プリント配線板から放射される電磁波ノイズの周波数特性を算出するようになっている。
【０００３】図２は従来のＥＭＩシミュレーション装置における電磁波ノイズの周波数特性算出のためのシュミレーションモデルの基本概念を示す図である。
【０００４】ここで、プリント配線板上に形成された電子回路の構造は簡略化して示されており、１１１は前記プリント配線板の電源層又はグランド層であり、１１２及び１１５は前記電子回路に含まれるＩＣ、１１３は前記電源層又はグランド層１１１とは別の層である配線層中において前記ＩＣ１１２、１１５を結ぶ直線上の配線である。なお、信号配線層中の他の信号配線、前記電源層、グランド層、信号配線層間に存在する誘電体層等は、省略されている。
【０００５】そして、前記信号線１１３を通ってＩＣ１１２からＩＣ１１５に送信される信号の電流成分ｉを計算し、該電流成分ｉが周囲に形成する電磁界を解析し、その解析結果に基づいて前記プリント配線板から放射される電磁波ノイズ１１４の周波数特性を算出するようになっている。
【０００６】これにより、電子機器の設計段階において、あらかじめ電磁波ノイズ１１４の周波数特性を知ることができるので、ＥＭＩに対する対策を講じることが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従来のＥＭＩシミュレーション装置においては、電子機器によるＥＭＩをシュミレートするために、前記電子機器のプリント配線板１１１における信号配線層が形成する電磁界だけに基づいて、電子機器からから放射される電磁波ノイズ１１４の周波数特性を算出しており、前記プリント配線板１１１上に形成された電源層及び接地層、前記プリント配線板１１１が収納される金属性の筐（きょう）体等の影響は全く考慮されていない。
【０００８】一般に、電子機器においては、前記金属製の筐体は電磁波をシールドする効果を奏するものであるから、前記プリント配線板１１１を前記筐体内に収納することにより、電磁波ノイズの放射レベルは低下する。しかし、前記プリント配線板１１１の信号配線層だけでなく、前記プリント配線板１１１上に形成された電源層及び接地層と前記筐体との間から、前記信号配線層が形成する電磁界の影響を受けて、新たな電磁波ノイズが放射される。
【０００９】したがって、前記新たな電磁波ノイズを考慮せずに、電子機器によるＥＭＩをシュミレートしても、実際の電磁波ノイズの周波数特性を正確に把握できないので、ＥＭＩに対する適切な対策を講じることができなくなってしまう。
【００１０】本発明は、前記従来のＥＭＩシミュレーション装置の問題点を解決して、電源層、接地層及び筐体が形成する電磁界の影響による新たな電磁波ノイズを考慮に入れ、プリント配線板における信号配線層が形成する電磁界に基づいて、電子機器から放射される電磁波ノイズの周波数特性を算出することにより、電磁波ノイズの周波数特性を正確に把握でき、ＥＭＩに対する適切な対策を講じることができるＥＭＩシミュレーション装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】そのために、本発明のＥＭＩシミュレーション装置においては、金属導体及び面状導体の寸法、並びに、前記金属導体と前記面状導体との距離等の数値が入力される入力手段と、計算式及び前記数値が格納される記憶手段と、前記記憶手段から前記計算式及び前記数値を読み出し、前記金属導体及び前記面状導体が平面アンテナとして作用することによって放射される電磁波ノイズを算出し、信号配線から放射される電磁波ノイズに加算して、電子機器から放射される電磁波の周波数特性を算出する演算手段とを有する。
【００１２】本発明の他のＥＭＩシミュレーション装置においては、グランド層及び電源層の寸法等の数値が入力される入力手段と、計算式及び前記数値が格納される記憶手段と、前記記憶手段から前記計算式及び前記数値を読み出し、前記グランド層及び前記電源層が平面アンテナとして作用することによって放射される電磁波ノイズを算出し、信号配線から放射される電磁波ノイズに加算して、電子機器から放射される電磁波の周波数特性を算出する演算手段とを有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】図１は本実施の形態におけるＥＭＩシミュレーション装置における電磁波ノイズの周波数特性算出のためのシミュレーションモデルの基本概念を示す図、図３は本実施の形態におけるＥＭＩシミュレーション装置の構成を示す図である。
【００１５】本実施の形態におけるＥＭＩシミュレーション装置２１は、図３に示されるように、本体２２、各種の数値やデータを入力するためのキーボード、マウス等の入力手段２６、及び、シミュレーションの結果等を表示するためのディスプレー、プリンタ等の表示手段２７を有する。前記本体２２は、電磁波ノイズの周波数特性の算出等を実行するための演算手段としての中央演算素子（ＣＰＵ）２３、入力された数値やデータ、計算式等を格納するためのハードディスク、半導体メモリ等の記憶手段２４、及び、入出力インターフェイス（Ｉ／Ｏ）２５等を有し、該入出力インターフェイス２５を介して、前記入力手段２６及び表示手段２７と連結される。
【００１６】本実施の形態におけるシミュレーションモデルは、プリント配線板１１及び筐体を有する。
【００１７】前記筐体は、実際には、前記プリント配線板１１を収納する金属製の容器であり、通常、前記電子機器のグランド（接地電極）としても機能する。ここで、前記筐体は図１に示されるように、前記プリント配線板１１と距離を隔てて平行に存在する金属板である金属導体１７としてモデル化される。
【００１８】前記プリント配線板１１は、実際には、ＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ等の多数の電子部品及び該電子部品を結ぶ複雑な形状の多数の信号配線から成る信号配線層、グランド層、電源層、各層を電気的に連結するスルーホール及びバイアホール、並びに、前記配線層、グランド層及び電源層の間に存在する樹脂、セラミック等から成る誘電体層等を有するが、ここでは、前記スルーホール、バイアホール、誘電体層等は省略し、互いに距離を隔てて平行に存在する面状導体１８としてのグランド層１６及び電源層１５のみを有するものとしてモデル化される。さらに、前記信号配線層は、２つの電子部品１２−１、１２−２と該電子部品１２−１、１２−２を連結する直線状の１本の信号配線１３のみを有するものとして、他の電子部品及び信号配線は省略されてモデル化される。また、前記電子部品１２−１、１２−２は、いかなるものであってもよいが、ここでは前記電子部品１２−１をドライバＩＣと想定する。
【００１９】したがって、基本概念が図１に示されるシミュレーションモデルは、金属導体１７の層、電子部品１２−１、１２−２及び信号配線１３の層、グランド層１６及び電源層１５の４層から成る。
【００２０】前記シミュレーションモデルにおいては、ドライバＩＣである電子部品１２−１から前記信号配線１３を通って電子部品１２−２に送信される信号の電流成分ｉにより、電磁波ノイズが放射される。ここで、前記信号配線１３は前記金属導体１７と前記面状導体１８との間に挟まれているので、前記信号配線１３から放射された電磁波ノイズにより、前記金属導体１７と前記面状導体１８との間に電位変動１９が発生する。そして、該電位変動１９により、新たな電磁波ノイズ１４が放射される。
【００２１】本実施の形態においては、前記電磁波ノイズ１４をも考慮に入れて、電子機器から放射される電磁波ノイズの周波数特性を算出する。
【００２２】次に、本実施の形態における電磁波ノイズの周波数特性の算出方法を、従来のシュミレーション装置と比較しつつ、説明する。
【００２３】図４は従来のシュミレーション装置におけるシミュレーションモデルの側面図、図５は本実施の形態におけるシミュレーションモデルの側面図、図６は従来のシュミレーション装置におけるシミュレーションモデルの電磁波ノイズの実測値を示す図、図７は本実施の形態におけるシミュレーションモデルの電磁波ノイズの実測値を示す図である。なお、図６及び７において、横軸に周波数を、縦軸に放射レベルを採ってある。図８は本実施の形態におけるシミュレーションモデルの共振周波数を示す表、図９は本実施の形態におけるプリント配線板と金属導体の寸法を示す図、図１０は本実施の形態におけるプリント配線板と金属導体との距離を変化させた時の放射周波数の遷移を示す図である。なお、図１０において、横軸にプリント配線板１１と金属導体１７との距離ｈを、縦軸に放射周波数を採ってある。
【００２４】図４において、１２０は図２に示されるシュミレーションモデルに基づくプリント配線板であって、３００〔ｍｍ〕×２１０〔ｍｍ〕の寸法を有する。さらに前記プリント配線板１２０は、電源層又はグランド層である層１１１と信号配線１１３の間に、誘電体層１１６を有する。
【００２５】前記プリント配線板１２０から放射される電磁波ノイズを実測すると、図６に示されるような周波数特性を示す。
【００２６】図５に示される本実施の形態におけるシュミレーションモデルにおいて、プリント配線板１１は、前記プリント配線板１２０と同様に、３００〔ｍｍ〕×２１０〔ｍｍ〕の寸法を有する。さらに、前記プリント配線板１１は、面状導体１８と信号配線１３の間に誘電体層２０を有する。そして、前記プリント配線板１１の、図５における下方に、金属導体１７が前記プリント配線板１１と平行に配設される。ここで、前記金属導体１７は５００〔ｍｍ〕×４００〔ｍｍ〕寸法を有し、前記プリント配線板１１より大きい。
【００２７】前記プリント配線板１１から放射される電磁波ノイズを実測すると、図７に示されるような周波数特性を示す。これを図６に記載されたものと比較すると、ノイズの放射レベルは、前記金属導体１７の奏するシールド効果により、全般に低下することがわかる。しかしながら、一部の周波数帯においては、依然として、部分的に急峻なピークが存在することが見て取れる。一部の周波数における前記急峻なピークは、前述したように、新たな電磁波ノイズ１４が放射されたことによるものであると考えられる。すなわち、前記金属導体１７を配設することによってある特定の周波数で急峻なピークとなる電磁波ノイズが発生しているといえる。
【００２８】図５に示される本実施の形態におけるシュミレーションモデルにおいて電磁波ノイズの周波数特性を算出するには、まず、前記面状導体１８及び金属導体１７を近似的な平面アンテナとして考える。一方、前記信号配線１３を電磁波ノイズを放射する振動源として考える。
【００２９】すると、波動方程式（１）から、前記プリント配線板１１又は金属導体１７のうちの小さい方の寸法を境界条件として、前記急峻なピークが存在する周波数ｆを求める式（２）が導き出される。
【００３０】
【数１】
【００３１】ここで、式（２）において、εr は前記プリント配線板１１と金属導体１７との間の実効誘電率、ａ、ｂは前記プリント配線板１１又は金属導体１７のうちの小さい方の各辺の寸法、ｍ、ｎは、正の整数であり、共振モードである。なお、共振モードの数だけ共振周波数、すなわち前記急峻なピークが存在する周波数が存在する。
【００３２】前記式（２）に、前記図５に示される本実施の形態におけるシュミレーションモデルの数値を入れて求められた急峻なピークが存在する周波数ｆの値が図８に表として示される。
【００３３】ここで、前記金属導体１７よりも前記プリント配線板１１の方が小さいのでａ、ｂは、図９に示されるように、前記プリント配線板１１の各辺の寸法、すなわち、ａは３００〔ｍｍ〕、ｂは２１０〔ｍｍ〕とした。また、前記金属導体１７とプリント配線板１１との間に占める誘電体層２０の割合を算出して、実効誘電率εr は１．０７とした。
【００３４】前記図８に示される周波数ｆの値と、前記図７に示される急峻なピークが存在する周波数は、ほぼ一致する。
【００３５】また、前記金属導体１７とプリント配線板１１との間の距離ｈが大きくなると、プリント配線板１１の寸法ａ、ｂが、見掛け上、前記金属導体１７とプリント配線板１１との間の距離ｈだけ大きくなり、前記式（２）は式（３）のように近似することができる。
【００３６】
【数２】
【００３７】そして、図１０に示されるように、前記金属導体１７とプリント配線板１１との間の距離ｈを変化させたときの共振周波数の計算値と実際の測定で急峻なピークを示す周波数とを比較してみると、前記金属導体１７とプリント配線板１１との間の距離ｈの変化による共振周波数の遷移はほぼ一致する。なお、前記計算値は、ａ辺方向のモード１、ｂ辺方向モード０の共振周波数である。
【００３８】このことにより、電磁波ノイズを放射する振動源としての前記信号配線１３が、前記金属導体１７と面状導体１８とによって挟まれた場合、前記金属導体１７と面状導体１８とが平面アンテナとして作用して電位変動が発生し、前記プリント配線板１１上の前記面状導体１８と金属導体１７の小さい方の寸法、及び互いの距離の関数としての周波数で、新たな電磁波ノイズが放射されることがわかる。
【００３９】また、平面アンテナとしての前記金属導体１７と面状導体１８との間に発生する電位変動に誘起されて前記金属導体１７と面状導体１８に生じる電流の分布状態は、前記金属導体１７と面状導体１８の小さい方の寸法、及び互いの距離から推測することができる。
【００４０】次に、前記構成のシミュレーション装置の動作について説明する。
【００４１】まず、前記金属導体１７及びプリント配線板１１の寸法ａ、ｂ、前記金属導体１７とプリント配線板１１との間の距離ｈ、実効誘電率εr 等の数値が入力手段２６から入力される。前記数値は記憶手段２４に格納される。
【００４２】次いで、中央演算素子２３において、ドライバＩＣ１２−１や電流が流れる信号配線１３を振動源とし、平面アンテナとしての前記金属導体１７と面状導体１８との間に発生する電位変動に誘起されて前記金属導体１７と面状導体１８に生じる電流の分布状態を、前記金属導体１７と面状導体１８の小さい方の寸法の関数として表される共振現象に基づいて算出し、その算出結果から、前記金属導体１７と面状導体１８が平面アンテナとして働いて放射する電磁波ノイズを算出する。
【００４３】そして、前記算出された電磁波ノイズに、前記信号配線１３から直接放射される電磁波ノイズを、時間的なタイミングを考慮して、加算する。これにより、より現実の放射に近いシミュレーション結果を得ることができる。
【００４４】このように、本実施の形態においては、信号配線１３から放射される電磁波ノイズに、金属導体１７と面状導体１８との間に発生する電位変動によって放射される電磁波を加えることによって、より実測定に近い解析結果を得ることができる。したがって、電子機器の設計段階で放射される電磁波の周波数特性より正確に知ることができるので、ＥＭＩに対する適切な対策を講じることができる。
【００４５】次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００４６】なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するもの及び同じ動作については、説明を省略する。
【００４７】図１１は本実施の形態におけるＥＭＩシミュレーション装置における電磁波ノイズの周波数特性算出のためのシミュレーションモデルの基本概念を示す図、図１２は本実施の形態におけるシミュレーションモデルの電磁波ノイズの実測値を示す図である。なお、図１２において、横軸に周波数を、縦軸に放射レベルを採ってある。図１３は本実施の形態におけるシミュレーションモデルの共振周波数を示す表である。
【００４８】本実施の形態におけるシミュレーションモデルの基本概念は、図１１に示されるように、電子部品１２−１、１２−２の層、グランド層１６、信号配線１３の層、及び、電源層１５の４層から成る。なお、前記電子部品１２−１、１２−２と前記信号配線１３を連結する垂直方向の配線は、電磁波ノイズの発生源として考慮されない。
【００４９】前記シミュレーションモデルにおいては、ドライバＩＣである電子部品１２−１から前記信号配線１３を通って電子部品１２−２に送信される信号の電流成分ｉにより、電磁波ノイズが放射される。ここで、前記信号配線１３は前記電源層１５とグランド層１６との間に挟まれているので、前記信号配線１３から放射された電磁波ノイズにより、前記電源層１５と前記グランド層１６との間に電位変動が発生し、新たな電磁波ノイズ１４が放射される。
【００５０】実際の電子機器においては、前記第１の実施の形態において説明された電磁波ノイズ以外にも、ドライバＩＣ１２−１が作動した場合や、前記電源層１５とグラウンド層１６とに挟まれた中層に信号配線１３が配線されている場合には、本来一定であるはずの電源層１５とグラウンド層１６との間の電位が変動して、新たな電磁波ノイズが放射される。したがって、本実施の形態においては、前記電源層１５と前記グランド層１６との間の電位変動により発生する電磁波ノイズ１４をも考慮に入れて、電子機器から放射される電磁波ノイズの周波数特性を算出する。
【００５１】前記シミュレーションモデルに基づくプリント配線板から放射される電磁波ノイズを実測すると、図１２に示されるような周波数特性を示す。
【００５２】本実施の形態においては、第１の実施の形態と同様に、前記式（２）に、前記図１１に示される本実施の形態におけるシュミレーションモデルの数値を入れて求めた急峻なピークが存在する周波数ｆの値が図１３に表として示される。
【００５３】ここで、前記電源層１５と前記グランド層１６の寸法は、いずれもプリント配線板と同一であり、前記プリント配線板は第１の実施の形態と同一の寸法を有するから、なので、ａは３００〔ｍｍ〕、ｂは２１０〔ｍｍ〕とした。また、前記電源層１５と前記グランド層１６の間は誘電体で満たされているので、実効誘電率εr は４．３とした。
【００５４】図１２と図１３とを比較してみると、図１３で算出された周波数と図１２における急峻なピークとなる周波数とがほぼ一致している。
【００５５】このことにより、電磁波ノイズを放射する振動源としての信号配線１３が、電源層１５とグランド層１６とによって挟まれた場合、前記電源層１５とグランド層１６とが平面アンテナとして作用して電位変動が発生し、プリント配線板１１上の面状導体１８と金属導体１７の小さい方の寸法の関数としての周波数で、新たな電磁波ノイズが放射されることが分かる。
【００５６】また、平面アンテナとしての前記電源層１５とグランド層１６との間に発生する電位変動に誘起されて前記電源層１５とグランド層１６に生じる電流の分布状態は、前記電源層１５とグランド層１６の小さい方の寸法から推測することができる。
【００５７】次に、前記構成のシミュレーション装置の動作について説明する。
【００５８】まず、前記プリント配線板１１の寸法ａ、ｂ、実効誘電率εr 等の数値が入力手段２６から入力される。前記数値は記憶手段２４に格納される。
【００５９】次いで、中央演算子２３において、ドライバＩＣ１２−１や電流が流れる信号配線１３を振動源とし、平面アンテナとしての電源層１５とグランド層１６との間に発生する電位変動に誘起されて前記電源層１５とグランド層１６に生じる電流の分布状態を、前記電源層１５とグランド層１６の小さい方の寸法の関数として表される共振現象に基づいて算出し、その算出結果から、前記電源層１５とグランド層１６が平面アンテナとして働いて放射する電磁波ノイズを算出する。
【００６０】そして、前記算出された電磁波ノイズに、前記信号配線１３から直接放射される電磁波ノイズを、時間的なタイミングを考慮して、加算する。これにより、より現実の放射に近いシミュレーション結果を得ることができる。
【００６１】このように、本実施の形態においては、信号配線１３から放射される電磁波ノイズに、電源層１５とグランド層１６との間に発生する電位変動によって放射される電磁波を加えることによって、より実測定に近い解析結果を得ることができる。したがって、電子機器の設計段階で放射される電磁波の周波数特性より正確に知ることができるので、ＥＭＩに対する適切な対策を講じることができる。
【００６２】なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６３】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によれば、ＥＭＩシミュレーション装置においては、金属導体及び面状導体の寸法、並びに、前記金属導体と前記面状導体との距離等の数値が入力される入力手段と、計算式及び前記数値が格納される記憶手段と、前記記憶手段から前記計算式及び前記数値を読み出し、前記金属導体及び前記面状導体が平面アンテナとして作用することによって放射される電磁波ノイズを算出し、信号配線から放射される電磁波ノイズに加算して、電子機器から放射される電磁波の周波数特性を算出する演算手段とを有する。
【００６４】この場合、信号配線から放射される電磁波ノイズに、金属導体と面状導体との間に発生する電位変動によって放射される電磁波を加えることによって、より実測定に近い解析結果を得ることができる。したがって、電子機器の設計段階で放射される電磁波の周波数特性より正確に知ることができるので、ＥＭＩに対する適切な対策を講じることができる。
【００６５】また、本発明の他のＥＭＩシミュレーション装置においては、グランド層及び電源層の寸法等の数値が入力される入力手段と、計算式及び前記数値が格納される記憶手段と、前記記憶手段から前記計算式及び前記数値を読み出し、前記グランド層及び前記電源層が平面アンテナとして作用することによって放射される電磁波ノイズを算出し、信号配線から放射される電磁波ノイズに加算して、電子機器から放射される電磁波の周波数特性を算出する演算手段とを有する。
【００６６】この場合、信号配線から放射される電磁波ノイズに、電源層とグランド層との間に発生する電位変動によって放射される電磁波を加えることによって、より実測定に近い解析結果を得ることができる。したがって、電子機器の設計段階で放射される電磁波の周波数特性より正確に知ることができるので、ＥＭＩに対する適切な対策を講じることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００２９５
【氏名又は名称】沖電気工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年６月２８日（２０００．６．２８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１６２０７
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 俊明 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１６３９１（Ｐ２００２−１６３９１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年１月１８日（２００２．１．１８） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１９３７９９（Ｐ２０００−１９３７９９） |
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