電磁界シミュレーションを用いたＥＭＩ設計
EMI Design Using Electromagnetic Field Simulation

野 村
毅＊Nomura, Takeshi

要旨
情報機器の開発において重要な課題である不要輻射への対応設計に電磁界シミュレータを活用している。情報２ ＥＭＩ対応の課題
開発期間短縮への課題

機器の不要輻射発生のメカニズム、不要輻射量の制御パ

従来、情報機器のEMI対応は、製品がある程度完成しラメータを明らかにした。この制御パラメータを設計た後に実機を使っての輻射量評価や対策を始めるというルールとして管理することで、対策時間を従来の1/3に削進め方を行っていた。必然的に対策の選択肢は狭くな減することが出来た。さらに、実機の設計段階での電磁り、効果的な対策を打てない場合が少なくなかった。ま界シミュレータの活用についても述べる。

た、経験則に基づいた対策を試行錯誤で実施するため対策時間が膨らんでいた。

Abstract

一方、市場での製品寿命はどんどん短くなっており、

We have utilized an electromagnetic field simulator for開発期間短縮への要求が高まっている。

a counter design to undesirable radiation that is an impor-

開発期間の短縮は、EMI評価および対策ステージを前tant subject in the development of information apparatus.

段階である設計ステージにシフトすること、すなわち、

We figured out the generation mechanism of the undesir-

EMI設計を行うことで実現できる。

able radiation of the information apparatus, and control
parameters of the amount of undesirable radiation. Usual
time period for countermeasures can be reduced to 1/3 bymanaging these control parameters as a design rule.
Further, we hereby report utilization of an electromagnetic field simulator in the design stage of the information
apparatus.

情報機器特有のEMI対応の課題
情報機器は、高速で動作する制御基板や、複雑かつ大きな金属筐体、それぞれの基板間を接続するハーネスといった要素から構成されている。
制御基板は、輻射ノイズの発生源として働き、筐体やハーネスは輻射ノイズの伝播要素、二次的ノイズ発生源として働く。ゆえに、情報機器では、基板への対応と並んで、筐体やハーネスへの対応が不可欠である。

１ はじめにプリンタやＭＦＰ（Multifunctional Peripheral）をはじ

これらの課題へ対応する具体的な取り組みとして、電めとする情報機器の開発において、最も重要な課題の一磁界シミュレータを活用しながら筐体やハーネスを中心つとして電磁波の不要輻射問題への対応いわゆるE M Iとした設計ルールの構築を行ってきた。以下に検討の実（Electromagnetic Interference）対応が挙げられる。

例を示す。

EMI対応とは、機器が発生する不要輻射量を、日本のまた、電磁界シミュレータの活用方法として次に取組

VCCI、米国のFCC、EUのEMC指令など各国法規の規制んでいる実機筐体の放射特性の評価と対策の事前検討に限度値内に適合させることをいう。

ついても実例を挙げて説明する。

機器のデジタル化や、高機能化に伴う動作周波数の上昇は、不要輻射の発生量を増加させてきた。この発生量の増加に対抗するための一方策として取組んでいる電磁界シミュレータの有効な活用について説明する。

３ 電磁界シミュレータの活用
３．１

設計ルールの構築

３．１．１

輻射ノイズの発生メカニズム

Fig.１に我々の扱う情報機器のノイズ発生の系統図を示す。情報機器を構成する基本要素である基板、それを覆うシールド、ハーネス、筐体は６つの単純なアンテナつ＊コニカミノルタビジネステクノロジーズ㈱機器開発本部 機器第３開発センター 第 33 開発部

まり、ノイズ発生要素に分類できると考えている。このKONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.2（2005）

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Fig.1 Antennas composed in the machine

６つの単純アンテナとは、基板内の信号パターンに代表される「１：ループアンテナ」、基板内の電源/グランドパターンが構成する「２：平行平板共振」、基板のグランドパターンが有限であることに起因する「３：有限グランド」、シールドボックスが構成する「４：空洞共振」、シールドの開口が構成する「５：スロットアンテナ」、ハーネスに代表される「６：モノポールアンテナ」である。ハーネスは、筐体に近接したときは「１：ループアンテナ」として働く。筐体の不連続は「５：スロットアンテナ」に代表される。そして、これらのアンテナからの放射は順番に結合し合い、最終的に装置から輻射されるノイズは、複雑なプロフィールを持つことになる。
しかし、この複雑な放射の発生メカニズムは、単純なアンテナとして分解することができる訳であるから、そのアンテナの放射効率を左右するパラメータをコントロールすればノイズが抑制できることを意味する。
Fig.１中に示しているアンテナ個々の解析事例としてハーネスと筐体（板金）が構成する放射モデルの事例を説明する。
３．１．２

Fig.2 The radiation model formed with harness and sheet metal

筐体とハーネスが形成する放射モデル

基板から放射される電磁界は、ハーネスへ結合しハーハーネスにノイズが結合したモデルは、一般的にはモネスは自らの放射特性に従って輻射ノイズを放出する。

ノポールアンテナと考えることができる。しかし、ハーこれをモデル化するとFig.２に示すごとく表現できる。基ネスが板金に沿って配置された場合Fig.４に示すように板板からハーネスに結合したノイズ源をVnとしてハーネス金にはリターン電流が流れる。この電流経路はループをに接続する。ここで、ハーネスは１本のワイヤとして簡形成しておりループアンテナとして扱うべきである。

易表現している。

ループアンテナの放射電界の特徴は、次式で表すことがハーネスの長さＬ＝0.6ｍとしてハーネスと板金の距離できる。

Ｈを１a、５a、20aと変化させたときの10ｍ遠方放射電界のシミュレーション結果をFig.３に示す。

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ここでＥは放射電界、Ｓ（＝Ｌ×Ｈ）はループ面積、Ｉはループ電流を表す。また、ループアンテナの共振周波数は、で計算できる。ｆは共振周波数、ｎは自然数、Ｌはハーネス長、ｃは光速を表す。Ｌ＝0 . 6 ｍの場合は、ｆ＝125MHz、375MHz、625MHz・・・である。Fig.３に示す
放射電界の平均値はループ面積に比例し、かつ上式で計算される共振周波数での電界の増加つまりループアンテナの特徴が再現できている。

Fig.5 Sheet metal composition in the device

Fig.3 Simulation result
Fig.6 The radiation model formed with harness and sheet metal

Fig.4 The occurrence mechanism of radiation

この検討結果より板金に近接するハーネスの放射量制
御パラメータは、①ハーネスの長さＬ、②ハーネスと板金の距離Ｈ、③電流Ｉつまりハーネスに結合するノイズ
Fig.7 Simulation result

量Vnということになる。
この中でハーネスの配置に関する設計ルールとして「高速で動作する基板に接続されるハーネスと板金の距が分断されている事例は、装置内のいたるところで見出離は近接させること」というルールを設けるべきであすことができる。つまり、ハーネスに対向する板金が不る。

連続であるというのが我々の扱う情報機器の特徴だといえる。

我々の扱う情報機器内の板金は複雑な形状の板金を複板金が不連続である場合の代表的なモデルとしてFig.６数結合して形成されるという特徴をもっている。必然的に示すようにハーネスの対向する板金にスロットがあるにハーネスの対向する板金が一様であるという場合はほモデルを解析した。

とんど無い。Fig.５に示すようにハーネスの対向する板金

Fig.７に、スロットの無い理想板金に対してハーネスがKONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.2（2005）149

Ｈ＝20aの高さに配置された場合、スロットのある板金

ハーネスと板金の距離を近接させるとハーネスと板金でＨ＝20aの場合およびスロットのある板金でＨ＝５aが構成する伝導線路の特性インピーダンスが小さくなの場合、それぞれの10ｍ遠方電界のシミュレーション結る。これに伴いハーネスに駆動される電流が上昇、板金果を示す。に流れるリターン電流も上昇する。このリターン電流がスロットが付加されることで放射強度が10[程度増加

スロットアンテナを駆動するため、リターン電流の上昇する。理想板金であればハーネスと板金の距離を近接さはスロット放射の上昇となって現れる。これが、スロッせることで放射強度は一様に低減できる。しかし、ストを含む板金へハーネスを近接させたときの放射が上昇

ロットのある板金とハーネスを５aまで近接させた場合するメカニズムである。スロットアンテナは一般的に長には殆どの周波数で逆に放射強度が増加してしまっていさによって共振周波数が決まることが知られている。スる。

ロット長が長くなると低周波へ共振周波数が移動してく

理想的な板金における設計ルールは、不連続な板金のるため低周波域の放射強度は大きくなる。

場合には必ずしも適用できない。このようなノイズの振る舞いは、我々がEMI対策を行っている際にしばしば遭遇する現象であり、ノイズの振る舞いを複雑視し、ルールや理論を疑問視してしまう原因の一つになっていると考える。

Fig.10 Electric current distribution in sheet metal
with bridge structure

Fig.10には、ハーネスが対向する位置の板金の分断する部分にブリッジを付加した場合の板金の電流分布を示
Fig.8 Electric current distribution in sheet metal
with slot structure

す。スロット構造が解消され電流はハーネスの真下に集中できていることがわかる。
また、Fig.11にはこの時の放射電界を示す。スロットかFig.８には、板金にスロットを設けた場合の板金に流れらの放射が消滅していることがわかる。

る電流の分布を示す。ここに示す矢印は電流ベクトルを表している。ハーネスの直下に電流の集中がみられ、この電流によりスロットアンテナが駆動されている状態が見て取れる。Fig.９には板金を横から見た電界分布を示す。スロット部からの放射が上下方向に発生し電界が広がっている様子がわかる。

Fig.11 Electric field distribution that the sheet metal
with bridge structure radiates

以上の検討結果から「高速で動作する基板に接続されるハーネスの対向する板金に不連続が存在する場合は、ブリッジ構造を付加する」という設計ルールを導くこと
Fig.9 Electric field distribution that the sheet
metal with slot structure radiates

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ができた。
このブリッジは、ハーネスに対向する位置からずれる

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ことなく、十分な幅で設けられる必要があり、この付加対策検討前の板金構成をモデリングした様子をFig.13に位置や付加幅が輻射ノイズの制御パラメータとなる。

示す。シールド内には、CCD基板を模擬したノイズ源を配置している。このときの板金の放射特性をFig.14に示

ここに説明したような解析、つまりシミュレーションす。420MHz、760MHz、960MHzに共振が生じているこでの再現確認をFig.１に示した機器内に構成されるアンテとがわかる。Fig.15には、共振周波数にあたる420MHzのナ要素すべてに対し実施し、アンテナの放射効率を左右電界分布を示す。CCDの読み取り開口から放射が前方にするパラメータを管理できるように設計ルールを決定し放出されていることから、開口への対策が効果的であるた。ルールに準拠した設計を実践することでEMI対策時と予測できる。

間を従来機種の1/3に低減することができた。
３．２

実機の解析基板やハーネスまで含んだ装置全体でのシミュレーションは無理であるが、ユニット単位での放射傾向の予測及び対策の検討を事前に行うことに電磁界シミュレー
タを活用した例を示す。
Fig.12に示すようなイメージリーダーユニット、特にCCD周辺板金は、位置調節機能を持ち複雑な構成となっている。放射低減設計として開口長を規定値以下とすることはEMI設計においては必須要件であるがCCD読み取りのための開口は機能上ふさぐことはできない。

Fig.14 The radiation character of the image reader unit

Fig.15 Electric field distribution that is radiated fromimage reader unit
Fig.12 Image reader unit

放射効率や共振特性を設計時に見積もり、効果的な共振の低減対策を用意しておくことは、評価工数の削減や金型の破棄を防ぐ効果を期待できる。

Fig.13 Simulation model of image reader unit

Fig.16 Countermeasure examples

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151位置調整機構を構成するためCCD読み取り用の開口を小さくすることはできないが、Fig.16のａ）に示すように、読み取りの光路を遮らない位置に板バネを使用した柔らかな接続を追加することで開口を分割する対策が実現可能である。これを対策Ａとする。
また、同図ｂ）に示すような調整機構を含め不安定な板金全てを被うシールドを取り付ける対策を対策Ｂとする。対策前、対策Ａ、対策Ｂによる放射特性の解析結果をFig.17に示す。

Fig.17 The effect of the countermeasure

対策Ａは対策Ｂほどの効果は期待できないが、420MHz、760MHzのノイズ低減量はそれぞれ11[, 7[であり輻射ノイズの低減効果としては大きいことがわかる。960MHzの共振については、開口が直接の原因となってはいないので効果が出ていない。この周波数については別途対策手段が必要である。
このように、筐体の放射特性を比較することで試作前に対策手段の効果を明らかにし、評価の戦略を立てることができる。

４ おわりに電磁界シミュレーションを活用することで、情報機器に内在するノイズ発生源やアンテナ要素、その輻射量の制御パラメータを明らかにしてきた。
今後は、機器の設計プロセスでの定量的なEMI評価手段として電磁界シミュレータを活用し、シミュレータの活用範囲を拡大するとともに、モデリング手法やEMI設計手法の知識構築を行っていく。

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