（様式第 20）成果報告書

平成 27 年度 TSUBAME 産業利用トライアルユース 成果報告書
利用課題名 複合機を例題とした大規模電磁界解析による EMC 性能評価の精度検証
英文：Accuracy validation for EMC problems of a multi-functional printerwith a large scale electromagnetic analysis
利用課題責任者 大門 真
Makoto Ohkado
富士ゼロックス株式会社
Fuji Xerox Co., Ltd.
http://www.fujixerox.co.jp
EMC 対策コストの低減のため，開発プロセスへの電磁界解析の導入を試みている．EMC 対応設計では，設計前段階におけるトラブル予測フェーズと開発評価時におけるトラブル対策フェーズが存在し，予測フェーズにおいては解析精度検証，対策フェーズにおいては計算コストの課題を抱えている．本利用課題では，この２つの課題を解決するために，TSUBAME を利用した大規模電磁界解析を実施し，実製品レベルでの実測-解析間の精度検証および詳細-簡易モデル間における解析結果の誤差を検証することができた．
For the reduction of EMC countermeasure costs, a front-loading design process with electromagnetic
analysis is strongly demanded. In order to the accurate prediction of EMC risks and reduction ofcalculation costs, large scale electromagnetic analyses by TSUBAME were applied to a multifunctional
printing device which was released in 2014. As a result, a margin of error between large scale models
and simplified models were acceptable for EMC design, and these results provide good correlation
between measurements and calculations.

Keywords:

Electro-Magnetic Compatibility (EMC), Electro-Magnetic Interference (EMI),
Electro-Magnetic Susceptibility (EMS), Printed Circuit Board (PCB), Electro-MagneticAnalysis

背景と目的問題解決を優先することが多い．納期必達の環境下でEMC 技術開発では，開発上流工程におけるフロントは最善策であるが，対策指向を取り続けると慢性トラブローディングの成果が，EMC 対策コストの圧倒的な低ルが常態化し，手戻り発生率の悪化や低コスト化要求減につながるため，様々な取り組みがなされている．特に応えづらいといった側面を持つため，発生メカニズムに，3H（はじめて・久しぶり・変更点）においては，決して解明による根本対策の早期導入が切望されている．

小さくはない確率で EMC トラブルが発生するため，重EMC トラブルの発生メカニズムの解明は，実測による点的に事前対策活動が行われている．しかし，このよう要因切り分け実験と電磁界解析を用いたノイズ可視化な取り組みがなされているにもかかわらず，EMC 対策の両輪を回すことが重要であり，特にフロントローディコストは大きく下がっているわけではなく，製品毎に大ング設計の観点から電磁界解析への期待が大きい．

きな確率で手戻りが発生してしまっている．また，現状

しかしながら，EMC 対応設計への電磁界解析の導入のトラブル予測には，KKD（勘・経験・度胸）や過去トラに期待が寄せられている一方で，開発上流工程や評価ブル情報に頼ることが多いため，電磁界解析による定現場で活用されていない現実がある．複数の要因が考量的な EMC トラブル予見技術の実現は，大きな期待とえられるが，特に大きな理由として，①解析結果の確か意義を持つ．

らしさがない（予測フェーズ） ②計算時間（コスト）と対一方，EMC 開発評価の現場では，トラブル発生時や策猶予時間がマッチしていない（対策フェーズ） といっ

認可目標値未達の場合において，時間の制約上，発たことが挙げられる．このため，電磁界解析を開発プロ

生メカニズムに基づく根本解決ではなく，対策指向でのセスに本格的に導入するためには，これらの課題を解（様式第 20）成果報告書
固有の問題を抑えたとしても，組み付け時に EMC トラ決することが重要である．
以上のことから，本利用課題では，複合機を例題としブルが発生する場合も多く，このような場合においては，た大規模電磁界解析を行い，上記の課題を解決するこ筺体サイズでの電磁界解析が求められている．本報告とを目的とした．①の課題に対しては，大規模電磁界解では，筺体サイズにおける EMI および ESD の解析事例

析によって，製品レベルでの EMI/EMS 性能評価を明らを紹介するとともに，簡易モデルによる計算コスト低減かにするとともに，実機測定結果と比較することで，解効果についても述べる．尚，本利用課題では，CST 社

析結果の確からしさの検証を行う．②の課題に対しての MICROWAVE STUDIO を利用している．

は，詳細モデルから簡易モデルへの落とし込みによる精度検証を行う．本報告では，これらの実施例につい結果および考察て述べる．

①UI (User-Interface)からの不要電磁放射
筐体サイズでの EMI の問題として，UI からの電磁放射を取り上げた．構成図を図 2 に示す．このモデルは，

概要
複合機を取り巻く EMC の諸問題について，図１にま様々な面で大幅な低コスト化を目指したローエンド A3

とめる．複合機は，様々な技術の摺り合わせの上に成機であり，フレームやシールド BOX の削除といったり立っているが故，機能部品も数多く存在し，それぞれEMC 対策コストの低減化も狙った機種である．EMC トラの部品ごとに固有の問題が発生している．更に，部品ブル内容としては，UI の液晶パネル付近から 200MHz

図 1 複合機を取り巻く EMC の概況

図 2 UI̲EMI の解析モデル

（様式第 20）成果報告書前後の不要電磁放射が観測されたものであり，開発段影響していると考えている．

階では放射メカニズムが不明であった．図 3 に示す通り，次に，周波数チャート上での実測との相関を確認でUI-フレームグラウンド(FG)間への接地点数を増やすこきたため，解析結果に基づく放射メカニズムの解明をとで，不要電磁放射を低減できたため，UI シールド板金行った．図 5 に，1 点接地と 2 点接地の場合の表面電流に対する追加板金を導入することで規格適合させた，と分布を示す．この結果が示す通り，1 点接地の場合は，いうトラブル事例となっている．

UI シールドから A-FRAME へノイズ電流が流れ込み，さ解析モデルは，UI 基板-UI シールド-筐体フレームモらに別の B-FRAME へ流入することがわかった．この経デルで構成されており，電磁波に影響しないと考えられ路の長さは約 400mm となっており，この経路をモノポーるプラ材などは全て取り除いている．UI 基板の電源-グルアンテナと仮定すると，ピーク周波数 200MHz と一致ラウンド(GND)間や主要な伝送線路上には RLC 要素をすることが確認された．それに対し，2 点接地では，UI実装し，波源は UI 基板のクロックラインに入力するガウ

シールド→A-FRAME と UI シールド→B-FRAME というシ ア ン パ ル ス と し た ． 解 析 周 波 数 範 囲 は 30MHz 〜二つの経路が生成され，電流キャンセル効果で放射に1000MHz とし，CISPR22 に準拠させた．メッシュ数は約寄与するノイズ電流が減少したため，不要電磁放射が6.5 億メッシュとなっている．

抑制されたと考えられる．

図 4 に解析結果および実測結果をまとめたものを示メカニズム解明によって電流の流れを可視化するこす．この結果が示す通り，解析結果と実測結果の間にとができたので，その流れを模擬するような簡易解析モは強い相関がある結果となっており，200MHz 前後不要

デルと詳細解析モデル間の解析精度誤差について検電磁放射が抑制される現象を再現できることがわかっ討を行った．メッシュ数増大の主要因は基板にあるた

た．ピーク周波数の若干の相違は，解析と実測ではノめ，基板を解析モデルから取り除くことで計算負荷の低イズ電流の経路に関する実効波長が多少異なることが減 を 目 指 す ． ノ イ ズ 電 流 の 流 れ は UI シ ー ル ド →図 3 対策前後（1 点-2 点接地）における実測チャート

図 4 対策前後における解析結果と実測結果の比較

図 5 対策前後におけ表面電流分布

（様式第 20）成果報告書
A-FRAME→B-FRAME であることがわかっているため，

析は，約 40ns の時間領域解析を行い，ESD 試験器かUI シールドへ強制的にノイズ電流を流すように入力ポらの出力信号は実測との相関が取れているものを利用ートを設定した．このモデル化により，メッシュ数は約し[2]，出力はコンタクト 4kV とした．この解析では，表面4000 万メッシュとなり，汎用解析 PC でも解析可能なサ電流分布による ESD ノイズの経路の可視化と LPH 基イズとなった．詳細モデルと簡易モデル間のチャート比

板内にある演算用 IC への電流流入量を算出し，実際較および表面電流分布を確認したところ，それぞれにに ESD トラブルを起こしたモデルと起こさなかったモデ

特段大きな相違は見当たらないことがわかった．以上

ルとの相対比較を行った．これらのモデルは便宜上、の結果から，放射メカニズムに対してある程度の推論

ESD 耐性の強いものから順に A 基板、B 基板、C 基板がある場合，もしくは，ノイズ電流の経路や流れに関しと呼称する．図 7 に表面電流分布の結果，図 8 に IC へて実測などで既知である場合は，モデル簡略化が有用の流入電流量を比較した結果を示す．開発時においてであることがわかった．

は，ESD 電流流入経路として，制御基板→FFC→LPH基板という経路，空間結合による直接流入，金属フレ②LPH (LED Print Head)への ESD 印加ームからの流入という３パターンを想定していた．表面

次に，筐体サイズでの EMS の解析事例について述べ電流分布および磁界分布の結果から，LPH へ直接到る．題材として，LPH [1]と呼ばれる露光装置の ESD に達する時間は約 2ns 後であり，流入電流の立ち上がり関する問題を取り上げた．LPH は，感光体ドラムに潜像時間は約 4ns であることから，空間結合という経路はなを書き込む装置であり，従来のレーザー型に対して，大いと推定した．解析結果を勘案すると，フレームからの幅な小型化が可能且つ機械ノイズが発生しないといっ流入が 4ns 後に発生し，その後約 2ns 遅れて FFC 経路たメリットがある．その反面，構造起因により基板が細での流入が始まっていると考えられる．

長くなってしまうため，静電気を正しく逃がす設計をしな

LPH 基板間における流入電流の相違に関しては，実いと画質などにダメージが発生する可能性がある．そ際にトラブルを起こした C 基板への流入電流量が最ものため，基板設計前における ESD 耐性の検討は大き多く，最も強い耐性がある A 基板への流入電流が最もな役割を担っている．

小さくなることがわかった．表面電流分布による基板内解析に用いた機種は，①と同様のもので，図 6 に示流入経路を分析してみると，耐性のある A 基板は，流す解析モデルは，LPH 基板と制御基板，それらをつな入後多くの電流が内層 GND 層へ流れていることがわ

ぐ FFC を模擬したハーネス，筐体フレームモデル，そしかった．耐性の低い C 基板に対して，GND 層との強カッて ESD 試験器で構成されている．メッシュ数は約 20 億プリング，GND 層の低インピーダンス化，ガードアースで，２つの基板がメッシュ数を大きく増加させている．解導入などをシミュレーション上で施したところ，流入電流

図 6 ESD 解析モデル

（様式第 20）成果報告書
量が低減し，耐性のある A 基板とほぼ同等の性能が得関しては，ノイズ源やノイズ電流の経路をあらかじめ推られることがわかった．本来であれば，実測においても定することさえできれば，モデルの大幅な簡略化が可流入電流量を測定すべきであったが，ESD 空間ノイズ能であることがわかり，EMC トラブルの予測・対策，どと基板内に流入するノイズ電流の切り分けが完全に出ちらのフェーズに対しても有用であることがわかった．

来なかったため，今回は耐性差と流入電流量の差からEMS に関しては，機能性トラブルを引き起こす直接の解析と実測に相関があると判断した．

原因が，基板および IC であることが多いため，メッシュ数の大幅な削減は難しい．また，対策フェーズにおいては対策立案やメカニズム解明に対して電磁界解析が有用である結果は得られたが，予測フェーズにおいては，過去トラブルなどから類推して解析モデルを構築する必要があるため，その手法やプロセスに関しては今後の課題であると感じている．最後に，TSUBAME による計算高速化に関しては，過去の文献[3]とほぼ同様の効果を得られることを確認している．

参考文献[1]富士ゼロックス HP,
http://www.fujixerox.co.jp/company/technical/production/digital/led̲phead.html
図7

表面電流分布の時間変化[2]AET HP,
http://www.aetjapan.com/software/App.php?EMC̲EMI

まとめ，今後の課題=Susceptibility&AP=333

複合機を例題とした EMI/EMS の大規模電磁界解[3]安永高志,超大規模三次元高周波電磁界シミュレ

析を実施し，EMI/EMS ともに実測結果とほぼ一致すーションへの GPU クラスター適用検証 , TSUBAME 共る結果が得られ，精度検証を行うことができた．EMI に

同利用 平成 23 年度 産業利用 成果報告書

図8

各 LPH 基盤における流入電流量