(57)【要約】【課題】熟練した設計者でなくても容易且つ迅速に所望のインダクタの設計が可能な設計方法を提供する。【解決手段】  巻線型インダクタをコンピュータを用いて設計する方法であって、インダクタの構造を記述する変数を初期化するステップと、予め入力されたコア及びコイル導体の属性情報に基づき前記変数で記述された構造を有するインダクタの特性を電磁界解析により算出するステップと、少なくともインダクタ特性をパラメータとする所定の評価関数を用いて評価値を算出するステップと、評価値が所定の収束条件を満たしているかを判定するステップと、収束条件が満たされている場合には処理を終了し、収束条件が満たされていない場合には確率論的最適化アルゴリズムにより変数の値を変動させるステップとを備え、収束条件が満たされるまで解析処理及び最適化処理を繰り返す。【選択図】  図３
2010062200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアと該コアに巻回されたコイル導体とを有するインダクタをコンピュータを用いて設計する方法であって、
前記コンピュータが、
（ａ）インダクタの構造を記述する変数を初期化するステップと、
（ｂ）予め入力されたコア及びコイル導体の材料物性等の属性情報に基づき前記変数により記述された構造を有するインダクタの特性を電磁界解析により算出するステップと、
（ｃ）少なくともインダクタ特性をパラメータとする所定の評価関数を用いて評価値を算出するステップと、
（ｄ）算出した評価値が所定の収束条件を満たしているかを判定するステップと、
（ｅ）前記収束条件が満たされている場合には処理を終了し、前記収束条件が満たされていない場合には確率論的最適化アルゴリズムにより前記変数の値を変動させるステップとを備え、
前記収束条件が満たされるまで前記ステップ（ｂ）〜（ｅ）を繰り返す
ことを特徴とするインダクタの設計方法。
【請求項２】
前記コアはコイル導体が巻回された円柱状の巻回部と該巻回部の両端部から張り出した張出部とからなり、
前記インダクタ構造を記述する変数は、コアの高さ方向の中心線から巻回部表面までの距離（Ｘ１），コアの高さ方向の中心線からコイル導体の幅方向における周縁までの距離（Ｘ２），コアの高さ方向の中心線から張出部の周縁までの距離（Ｘ３），コアの幅方向の中心線からコイル導体の高さ方向における周縁までの距離（Ｙ１），コアの幅方向の中心線から張出部のコイル導体と対向する内面までの距離（Ｙ２），コアの幅方向の中心線から張出部の高さ方向外面までの距離（Ｙ３）及びコイル導体の巻回数（Ｎ）を含む
ことを特徴とする請求項１記載のインダクタの設計方法。
【請求項３】
前記ステップ（ａ）において変数の初期値はランダムに生成する
ことを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載のインダクタの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子機器に実装されるインダクタの設計方法に関し、特にコアにコイル導体を巻回してなる巻線型インダクタの設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のインダクタはコンピュータによるシミュレーションを利用して設計作業が行われていた。具体的には、まず所定条件の範囲内でインダクタの構造（コア構造やコイル導体構造等）を決定する。次に、設計した構造を有するインダクタの各種特性（例えばインダクタンス値や直流重畳特性）をコンピュータを用いて算出する。インダクタ特性の算出アルゴリズムとしては、有限要素法を用いた電磁界解析を行うことが一般的である。算出したインダクタ特性が設計要求を満たさない場合には、設計したインダクタ構造を見直し、インダクタ特性の再算出を行う。このように、従来のインダクタの設計手法では、所望のインダクタ特性が得られるまで、インダクタ構造の検討（設計・見直し）とコンピュータによるシミュレーションを繰り返し行っていたため設計完了までに煩雑な手間と長時間を要していた。特に、インダクタの構造検討工程は設計者の経験によるところが大きく、インダクタの設計は誰にでも容易にできるものとは言えなかった。しかも、近年は部品の小型化に対する要求が大きく、また多品種小ロットの傾向が強くなってきており、要求に対して最適化されたインダクタを容易且つ迅速に設計したいという要望が強かった。
【０００３】
ところで他の技術分野、例えばマイクロ波やミリ波用のアンテナの設計方法としては特許文献１に記載されたものが知られている。この設計方法では、アンテナ形態を記述する変数を定義し、該変数に初期値を設定することによりアンテナ形態を設定し、該アンテナ形態によって生じる解析領域における電磁界パターンを算出し、算出した電磁界パターンに基づいてアンテナ特性を評価する。そして、異なる複数の変数について前記シミュレーションを順次又は並列的に実行することにより、複数のアンテナ形態についての特性評価を得て、各特性評価の結果に基づきアンテナ形態を決定する。このような手法により、熟練した設計者でなくても容易且つ確実にアンテナ設計を可能としている。
【特許文献１】特開２００３−３３２８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし上記特許文献１に記載のものは上述したようにアンテナの設計に係るものであり、構造・特性の全く異なるインダクタの設計に直ちに適用することは不可能であった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熟練した設計者でなくても容易且つ迅速に所望のインダクタの設計が可能な設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本願発明は、コアと該コアに巻回されたコイル導体とを有するインダクタをコンピュータを用いて設計する方法であって、前記コンピュータが、（ａ）インダクタの構造を記述する変数を初期化するステップと、（ｂ）予め入力されたコア及びコイル導体の材料物性等の属性情報に基づき前記変数により記述された構造を有するインダクタの特性を電磁界解析により算出するステップと、（ｃ）少なくともインダクタ特性をパラメータとする所定の評価関数を用いて評価値を算出するステップと、（ｄ）算出した評価値が所定の収束条件を満たしているかを判定するステップと、（ｅ）前記収束条件が満たされている場合には処理を終了し、前記収束条件が満たされていない場合には確率論的最適化アルゴリズムにより前記変数の値を変動させるステップとを備え、前記収束条件が満たされるまで前記ステップ（ｂ）〜（ｅ）を繰り返すことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、所望するインダクタに応じて属性情報，評価関数及び収束条件を適切に設定することにより、インダクタの構造を記述する変数の値が最適化される。これにより、熟練者の経験・知識を必要とすることなく所望のインダクタ設計を容易且つ短時間に行うことができる。
【０００８】
本発明の好適な態様の一例としては、前記インダクタ構造を記述する変数としてインダクタの１／４モデルを記述する変数を採用することが挙げられる。ここで、インダクタの１／４モデルとは、インダクタの構造を単純化したモデルであり、具体的にはインダクタを上下左右で対称であると考え、コイル中心を通る磁束に並行な断面図を上下左右にそれぞれ２分割・合計４分割し、４分割した断面図におけるコアやコイル導体の位置関係を変数に表したものである。
【０００９】
より具体的には、前記コアはコイル導体が巻回された円柱状の巻回部と該巻回部の両端部から張り出した張出部とからなるものと考える。そして、前記インダクタ構造を記述する変数を、コアの高さ方向の中心線から巻回部表面までの距離（Ｘ１），コアの高さ方向の中心線からコイル導体の幅方向における周縁までの距離（Ｘ２），コアの高さ方向の中心線から張出部の周縁までの距離（Ｘ３），コアの幅方向の中心線からコイル導体の高さ方向における周縁までの距離（Ｙ１），コアの幅方向の中心線から張出部のコイル導体と対向する内面までの距離（Ｙ２），コアの幅方向の中心線から張出部の高さ方向外面までの距離（Ｙ３）及びコイル導体の巻回数（Ｎ）を含むものとする。このようにモデル化することにより、インダクタの構造を適切に表現することができるとともに単純化により解析時間の短縮を図ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように本発明によれば、所望するインダクタに応じて属性情報，評価関数及び収束条件を適切に設定することにより、インダクタの構造を記述する変数の値が最適化される。これにより、熟練者の経験・知識を必要とすることなく所望のインダクタ設計を容易且つ短時間に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の一実施の形態に係るインダクタの設計装置及び方法について図面を参照して説明する。図１はインダクタの設計装置の機能ブロック図である。本実施の形態に係るインダクタの設計装置は、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭなどの記憶媒体から或いはネットワークを介してインダクタの設計プログラムをコンピュータにインストールし、該設計プログラムを実行することにより当該コンピュータ上に構成される。なお、本実施の形態では１台のコンピュータを用いてインダクタの設計装置を構成したが、複数のコンピュータに分散して実装してもよいし仮想コンピュータ上に実装するなど種々の実装形態を考えられる。
【００１２】
本実施の形態に係るインダクタの設計装置は、図１に示すように、記憶手段１０と、電磁界解析部２０と、最適化処理部３０と、入出力手段４０とを備えている。
【００１３】
記憶手段１０には、インダクタの構造を記述する変数（以下の説明では「構造記述変数」と言う。）１１と、インダクタに使用されるコアやコイル導体等の物性の属性情報１２と、インダクタを評価するための評価関数１３と、評価関数１３を用いて算出した評価値の収束条件１４とが記憶されている。構造記述変数１１については後述する。属性情報１２は電磁界解析部２０において参照される情報であり、入出力手段４０から予め入力される。属性情報１２の具体的な値としては、例えば複素透磁率、直流初磁化曲線、透磁率の直流磁界依存性などが挙げられる。評価関数１３及び収束条件１４は最適化処理部３０において参照される情報であり、入出力手段４０から予め入力される。
【００１４】
電磁界解析部２０は、記憶手段１０に記憶されている構造記述変数１１及び属性情報１２に基づき電磁界解析を行い、前記構造記述変数１１及び属性情報１２で特定されるインダクタの特性を算出する。ここでは有限要素法を用いて解析領域全体で電磁界解析を行う。また、算出するインダクタ特性としては、少なくとも当該インダクタのＬ値（以下の説明では便宜上「通常Ｌ値」と言う。）を含み、本実施の形態では更に所定電流値（例えば１Ａ）の直流バイアス電流下でのＬ値（以下の説明では便宜上「直流重畳Ｌ値」と言う。）、及びインダクタの品質係数であるＱ値等を算出する。電磁界解析部２０による解析処理は最適化処理部３０の処理制御により複数回行われる。また、電磁界解析部２０により算出された通常Ｌ値、直流重畳Ｌ値及びＱ値等は最適化処理部３０に渡される。
【００１５】
最適化処理部３０は、記憶手段１０に記憶されている評価関数１３を用いて評価値を算出する。該評価関数１３のパラメータには、少なくとも電磁界解析部２０で算出された通常Ｌ値が含まれ、必要に応じて直流重畳Ｌ値、Ｑ値、記憶手段１０に記憶されている構造記述変数１１、並びに属性情報１２が含まれる。そして、最適化処理部３０は、算出した評価値が記憶手段１０に記憶されている収束条件１４を満たしているか判定し、満たしている場合には処理を終了する。この時の記憶手段１０に記憶されている構造記述変数１１の値が、本設計装置において導出された解になる。一方、収束条件１４を満たしていない場合には、構造記述変数１１の値を更新し、再び電磁界解析部２０による電磁界解析を実施する。構造記述変数１１を更新する手法としては、既知の確率論的最適化アルゴリズムが用いられる。例えば、進化戦略、免疫型アルゴリズム，遺伝的アルゴリズム，マイクロ遺伝的アルゴリズム，シミュレーテッド・アニィーリング、パーティクルスウォーム等が挙げられる。本実施の形態では免疫型アルゴリズムを用いた。このため、構造記述変数１１の初期値はどのような値でもよいので、本実施の形態では構造記述変数１１の初期処理ではランダム値を設定する。
【００１６】
次に、構造記述変数１１について図２を参照して説明する。本実施の形態では、構造記述変数１１としてインダクタの１／４モデルを記述する変数を採用するものとする。ここで、インダクタの１／４モデルとは、インダクタの構造を単純化したモデルであり、図２に示すように、具体的にはインダクタを上下左右で対称であると考え、コイル中心を通る磁束に並行な断面図を上下左右にそれぞれ２分割・合計４分割し、４分割した断面図におけるコア１やコイル導体２の位置関係を変数に表したものである。
【００１７】
より具体的には、図２に示すように、前記コア１はコイル導体２が巻回された円柱状の巻回部１ａと該巻回部の両端部から張り出した円板状の張出部１ｂとからなるものと考える。そして、前記インダクタ構造を、コア１の高さ方向の中心線Ｙから巻回部１ａの表面までの距離（Ｘ１），コア１の高さ方向の中心線Ｙからコイル導体２の幅方向における周縁までの距離（Ｘ２），コア１の高さ方向の中心線Ｙから張出部１ｂの周縁までの距離（Ｘ３），コア１の幅方向の中心線Ｘからコイル導体２の高さ方向における周縁までの距離（Ｙ１），コア１の幅方向の中心線Ｘから張出部１ｂのコイル導体２と対向する内面までの距離（Ｙ２）、コア１の幅方向の中心線Ｘから張出部１ｂの高さ方向外面までの距離（Ｙ３）、及びコイル導体２の巻回数（Ｎ）という７つの変数により記述するものとする。なお、電磁界解析部２０又は最適化処理部３０において必要に応じてインダクタ設計の制約条件を付加する場合があり、この場合には上記各変数は互いに従属することもある。例えば、図２におけるコイル導体２の面積を一定にするという条件を付加すれば、変数Ｘ２は変数Ｘ１及び変数Ｙ１が決まれば自動的に決まる従属変数である。また、図２に示すように、１／４モデルのインダクタの外形寸法は幅Ｗ×高さＨとなるが、変数Ｘ２＞変数Ｘ３の場合もあるので幅Ｗは変数Ｘ２と変数Ｘ３の大きい方になる。
【００１８】
次に、本実施の形態に係るインダクタの設計方法について具体的な例を挙げながら図３のフローチャートを参照して詳述する。まず予め、記憶手段１０の属性情報１２に必要な情報を入出力手段４０等から入力しておく。
【００１９】
記憶手段１０の評価関数１３は以下の数式に示すものとする。なお、この評価関数は、通常Ｌ値、直流重畳Ｌ値及びインダクタ体積を評価するものであり、Ｑ値等を含めた評価を行う場合には、必要に応じて目的関数を変更することができる。
【００２０】
【数１】
2010062200.tif 000003
【００２１】
ここで、目標通常Ｌ値は、本インダクタ設計において目標とする通常Ｌ値であり制約条件の１つである。本実施例では100μＨとする。また、Penaltyは、算出した直流重畳Ｌ値が８０μＨ未満ならば「Penalty=80-算出した直流重畳Ｌ値」とし、８０μＨ以上ならば「Penalty=0」とする。また、記憶手段１０の収束条件１４は、「前回評価関数１３で算出した評価値と今回評価関数１３で算出した評価値の差が所定範囲内に収まった」というものとする。以上のように評価関数１３及び収束条件１４を予め定義・入力しておく。また、本実施例では、制約条件として１／４モデルにおけるコイル導体２の面積が一定であるという条件を付加することとしたので、構造記述変数１１としては変数Ｘ２は省略する。以上を前提として以下の処理を行う。
【００２２】
まず、構造記述変数１１（変数Ｘ１，Ｘ３，Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｎ）を初期化する（ステップＳ１）。本発明では確率論的最適化アルゴリズムを採用しているので該初期値としてはどのような値であっても構わない。そこで、本実施例では乱数を発生させ該乱数を初期値として設定する。
【００２３】
次に、有限要素法を用いて解析領域全体で電磁界解析を行いインダクタ特性を算出する（ステップＳ２）。この解析処理では構造記述変数１１及び属性情報１２の値が用いられる。また、算出するインダクタ特性は、通常Ｌ値及び１Ａの直流重畳下での直流重畳Ｌ値である。なお、この有限要素法を用いた電磁界解析は従来周知の手法であるので、詳細な処理については説明を省略する。
【００２４】
次に、前記ステップＳ２で算出した通常Ｌ値，直流重畳Ｌ値，構造記述変数１１の値を評価関数１３に代入して評価値を算出する（ステップＳ３）。そして、該評価値が収束条件１４を満たすかどうかを判定する（ステップＳ４）。本実施例では、収束条件１４として今回算出した評価値と前回算出した評価値との差を算出し、この差が所定の範囲内に収束したかどうかを判定する。なお、初回の判定時には前回評価値が存在しないが、この場合には判定を省略する又は前回評価値として収束条件１４を満たさない適当な値を利用すればよい。
【００２５】
前記判定の結果、収束条件１４を満たしている場合には処理を終了する。一方、収束条件１４を満たしていない場合には、構造記述変数１１（変数Ｘ１，Ｘ３，Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｎ）の値を更新する（ステップＳ５）。この更新処理には、周知の生物学的アルゴリズム、例えば、進化戦略、免疫型アルゴリズム、遺伝的アルゴリズム、マイクロ遺伝的アルゴリズム、シミュレーテッド・アニィーリング、パーティクルスウォーム等を適用する。構造記述変数１１を更新したら処理を前記ステップＳ２に移す。
【００２６】
このように本実施の形態に係るインダクタ設計方法によれば、インダクタモデルを利用した変数によりインダクタの構造を記述し、該変数を電磁界解析及び確率論的最適化アルゴリズムにより所望のインダクタ特性が得られるように最適化するので、熟練者の経験・知識を必要とすることなく所望のインダクタを容易且つ短時間に行うことができる。
【実施例】
【００２７】
本実施の形態に係るインダクタ設計方法を用いて、出願人が従来設計したインダクタを基にして同一のインダクタ特性を有するインダクタを設計した。従来のインダクタの外寸がＷ×Ｈ＝３．７５ｍｍ×３．４５ｍｍであったが、本設計方法を用いて構造を最適化したインダクタの外寸はＷ×Ｈ＝４．３６５ｍｍ×１．９８ｍｍとなった。この結果、オリジナルモデルの特性を維持しつつ、インダクタの体積をオリジナルモデルの７８％にまで低減できた。
【００２８】
以上、本発明の一実施の形態について詳述したが本発明はこれに限定されるものではない。上記実施の形態では所望のインダクタ特性を有するインダクタの構造が最適（体積最小）となるように評価関数１３等を設定していたが、所望の体積を有するインダクタのインダクタ特性を最適化するように評価関数１３等を設定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】インダクタの設計装置の機能ブロック図
【図２】インダクタの１／４モデルを説明する図
【図３】インダクタの設計方法を説明するフローチャート
【符号の説明】
【００３０】
１…コア、２…コイル導体、１０…記憶手段、１１…構造記述変数、１２…属性情報、１３…評価関数、１４…収束条件、２０…電磁界解析部、３０…最適化処理部
【図１】
2010062200.tif 000004
【図２】
2010062200.tif 000005
【図３】
2010062200.tif 000006