解析事例

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電磁波解析/磁場解析/電場解析

応力解析/熱伝導解析

圧電/音波解析

 以下は、動画による解析事例となります。
動画事例3: バイオリンの音波指向性解析
動画事例5: 潜水艦とソナー

Femtet®は株式会社村田製作所の登録商標です。その他全ての会社名、ブランド名、製品名、商標は、それぞれの所有者に帰属します。著作権・商標については 「サイトポリシー」をご覧ください。

事例1: モジュールの電磁波解析(ノイズ解析)

設計段階で、不要なノイズ (電流) の発生を確認し、設計変更を行った事例です。設計変更後はノイズが抑制できていることが確認できます。この解析事例は64bit版Femtet®(メモリ8GB実装)を使用しています。Femtet®ではこのような複雑な構造の大規模モデルでも解析が可能です。

画像をクリックすると拡大図をご覧いただけます。

設計変更前

設計変更前

設計変更後

設計変更後

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事例2: ビアの熱設計

ICの下にある放熱用ビアをなくした場合の影響を解析した例です。ビアをなくした場合の最高温度は52.7℃となり、温度上昇は2℃以内となりました。ビアをなくした場合も、許容温度内に収まる事が確認できたため、設計変更を行い、金型作成のコストの削減につながりました。

画像をクリックすると拡大図をご覧いただけます。

ビアありモデルの温度分布

ビアありモデルの温度分布

ビアなしモデルの温度分布

ビアなしモデルの温度分布

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事例3: 生産設備の共振解析

生産設備の共振周波数を解析した事例です。共振周波数を前もって解析することで異常な振動の発生を避けた設備設計が可能です。この生産設備では治具の上下方向の動きを伴うため、伸縮みモードの375Hzを避けた設備設計を行いました。

画像をクリックすると拡大図をご覧いただけます。

共振モードの図

共振モードの図

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事例4: フォトニック結晶構造型フィルタの解析

今後広帯域システムの導入が促進され、電波資源の不足は深刻化するものと予測されます。ミリ波帯は電波資源拡大の候補であり、特に60GHz帯は高速無線伝送に対して注目されています。 ミリ波通信装置ではアクティブ回路の効率が高く望めないため、パッシブ回路の低損失化(低損失フィルタ、高Q共振器)が望まれています。この解析事例ではフォトニック結晶構造のバンドギャップによるエネルギー閉じ込め効果をミリ波共振器に応用することを検討しています。
(2007年 電子情報通信学会 ソサイエティ大会 CS-2-6)

フォトニック結晶構造型フィルタの図

フォトニック結晶構造型フィルタ

解析モデル図

解析モデル図

解析結果図

解析結果図

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事例5: 携帯電話用内蔵アンテナの解析

近年の携帯電話は音声通話やデータ転送など多機能になっており多くのアンテナが必要となってきております。  この内蔵アンテナは携帯電話の音声通話用アンテナを主用途としていますが他にもBluetooth®やGPSなどデータ通信などの送受信にも使用されています。

携帯電話用内蔵アンテナの図

携帯電話用内蔵アンテナ

解析モデル図

解析モデル図

解析結果図

解析結果図

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事例6: チップ誘電体アンテナの解析

現在、携帯電話では音声通話用の内蔵アンテナ以外に、ヘッドセットやPCとの無線接続用のBluetooth®アンテナやナビゲーション用のGPSアンテナが内蔵されてきています。チップ誘電体アンテナはそれらのBluetooth®アンテナやGPSアンテナに広く使用されています。 携帯電話に内蔵されるBluetooth®アンテナ、GPSアンテナは、携帯電話の多機能化/薄型化のトレンドの中で小型化/薄型化が強く求められています。それを実現するため、チップ誘電体アンテナでは高誘電率のセラミックス材料を使用してアンテナを小型化しています。

チップ誘電体アンテナの図 解析モデル図

チップ誘電体アンテナ                    解析モデル図

解析結果図

解析結果図

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事例7: ギガフィル®の解析

誘電体フィルタ(ギガフィル® )は共振器の長さや本数 (段数) を変えることで、フィルタの周波数や特性を変えることができます。このため、お客様の要求するフィルタ特性,サイズに合わせた製品を比較的容易に生産することが出来ます。  主な用途としては800MHz〜3GHz程度の周波数の電波を利用するシステムに使用されていて、携帯電話の基地局などに使用されています。一つの基地局に複数個のギガフィル®が使用されることもあります。

ギガフィル®の図  解析モデル図

   ギガフィル®                          解析モデル図

解析結果図

解析結果図

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事例8: 広帯域漏洩波アンテナシステムの検討
 ― 立命館大学 電気電子工学科 北澤研究室 ご提供 ―

概要
次世代ワイヤレス通信規格に適した広帯域アンテナの開発が急がれています.漏洩波アンテナは伝送線路からの漏洩放射を利用するため,広帯域な放射特性を持っています.ストリップ線路型漏洩波アンテナは伝送線路の第一次高次モード(奇モード)で動作するため,ストリップ導体の端を2本の給電線により逆位相で励振しなければなりません.アンテナシステム全体の広帯域化のためには、漏洩波アンテナ素子だけでなく,給電回路部の広帯域化も必要です.本研究では,右手/左手系複合線路(Composite Right/Left-Handed Transmission Line: CRLH-TL)技術を用いることにより,給電回路部の広帯域化を検討します.また,この給電回路部を用いた広帯域漏洩波アンテナシステムの実現を検討します.
(IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 56, no. 11, pp. 3585-3589, Nov. 2008.)

説明
 図1は設計した給電回路部の構造と寸法です.給電回路部は分岐した2本のマイクロストリップ線路で構成されています.分岐回路の一方(右側)を右手/左手系複合線路として分散曲線をデザインします.図2はFemtet®により解析した結果で,出力端(Port 2, Port 3)における位相差が広帯域に渡り逆位相(180° ± 20°)が得られており,これは半波長線路長差による従来の給電回路と比べて帯域幅が大幅に拡大されています.

図1 給電回路部の構造と寸法

図1 給電回路部の構造と寸法

図2 給電回路部の出力端における位相差の周波数特性

図2 給電回路部の出力端における位相差の周波数特性

図3はこの給電回路を用いたマイクロストリップ漏洩波アンテナシステムであり,広帯域な放射特性を示しました.表1はこのアンテナのH面の放射パタンで,広帯域に渡り高い利得が得られています.また,Femtet®(赤色)は実験値(青色)とよく一致しており,Femtet®によるシミュレーションを実施することで,試作回数の削減・時間の短縮により研究を効率的に進めることができました.

図3 マイクロストリップ漏洩波アンテナシステム

図3 マイクロストリップ漏洩波アンテナシステム



表1 6.5 GHz, 7.5 GHz, 8.5 GHz におけるH面の放射パタン

周波数 6.5GHz 7.5GHz 8.5GHz
H面の
放射パタン
65GHz 75GHz 85GHz

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事例9: スイッチング電源用複合磁気トランスの磁場解析

図2,3はスイッチング電源に用いられるトランスの磁束分布を解析した事例です。一般に、トランスの磁場解析では、線形的な視点で解析することが主流となっています。しかし、半導体スイッチの開閉により電力の流れを制御するスイッチング電源では、トランスは非線形回路を構成する部品として動作します。このため、より現実に即した解析が求められています。新しい解析アプローチとして、時間区分ごとに磁界の振る舞いを考察しています。本解析に用いているモデルは、図1は新しく開発した電力変換回路トポロジーに用いられる複合磁気トランスです。電源において大きな体積を占める複数のインダクタを1つの磁性部品で構成が可能です。スイッチング電源の高効率化、小型軽量化を目的とする研究開発において、Femtet®が大いに役立っています。

図1 複合磁気トランス

図1 複合磁気トランス



図2 磁束密度分布(オン期間)

図2 磁束密度分布(オン期間)

図3 磁束密度分布(オフ期間)

図3 磁束密度分布(オフ期間)

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事例10: チップコンデンサの温度分布解析

この事例では、はんだゴテを押しあてた時のチップコンデンサと基板の温度変化を非定常解析しています。このように時間が経過するにつれどのように温度分布が変化するのかを把握することができます。この例では行っていませんが、Femtet®では応力解析と連成し温度分布による応力の時間的な変化も把握することができます。

図1 チップコンデンサ温度変化

図1 チップコンデンサ温度変化



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事例11: DC-DCコンバーターの温度分布解析

この事例では絶縁性DC-DCコンバータの温度分布を解析しています。図1はDC-DCコンバータの全体像を、図2,3は内部の温度分布を表しています。Femtet®を使う事で設計の初期段階で温度分布が把握できるため、温度上昇を抑えるための基板設計を効率よく行う事ができます。

図1 DC-DCコンバータ

図1 DC-DCコンバータ



図2 DC-DCコンバータ内部(表面)

図2 DC-DCコンバータ内部(表面)

図3 DC-DCコンバータ内部(裏面)

図3 DC-DCコンバータ内部(裏面)

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事例12: 多層基板の電流による発熱解析

この事例では多層基板の電流による発熱を解析しています。図3は電流密度分布、図4は熱流速分布を表しています。電流により発熱し、その熱が主にパターン(電極)を通じて周囲に伝わっていく様子が分かります。Femtet®ではこのような電流(電場解析)と熱解析を連成した高度な計算を行うことができます。

図1 モデル図

図1 モデル図

図2 温度分布

図2 温度分布

図3 電流密度分布

図3 電流密度分布

図4 熱流速分布

図4 熱流速分布

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事例13: 多層コイルのパラメータ解析

この事例では多層コイルの漏れインダクタンスの計算を行っています。磁場解析(調和解析)を行い、指定周波数毎に境界条件点間で出力される複素インピーダンス(Z)から、インダクタンス(L)および抵抗(R)を計算しています。

図1 多層コイルの2次コイル端子部ショート

多層コイルの2次コイル端子部ショート


図2 トランスの短絡インダクタンス

図2 トランスの短絡インダクタンス

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事例14: 極異方性磁石を使った磁場解析

この事例では極異方性磁石を使った磁場解析を行っています。回転方向に磁化された磁石や、ラジアル異方性磁石を使った磁場解析にも対応しています。

図1 極異方性磁石のつくる磁束密度分布

図1 極異方性磁石の作る磁束密度分布

図2 計算結果 磁束密度分布

図2 計算結果 磁束密度分布


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事例15: 熱電発電における熱解析

この事例では熱発電素子を使った熱解析を行っています。
熱電発電は、素子に掛かる温度差で発電量が決まるため、空冷で放熱を行なう場合、放熱に使用するヒートシンクの冷却能力の設計が必要になります。これは、定熱源に対するヒートシンクの冷却能力の影響を解析した例です。 ヒートシンクの大きさを変えることで冷却能力を変えて伝熱計算を行い、素子にかかる温度差を計算しました。 この温度差から素子の発電量を見積もり、デバイス動作に必要な電力が得られるヒートシンクの冷却能力を最適化することができました。

図1 熱電発電素子の解析モデル

図1 熱電発電素子の解析モデル

図2 ヒートシンクの解析例

図2 ヒートシンクの解析例(クリックすると解析結果をみることができます)


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事例16: モジュールの熱解析

この事例ではモジュールの発熱部が基板に与える影響の熱伝導解析を行っています。
(解析結果を拡大すると、詳細をみることができます。)

図1 解析モデル

図1 解析モデル

図2 計算結果 温度分布

図2 計算結果 温度分布


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事例17: モジュールの落下解析

評価基板上の落下時の変位の大きいところにモジュール商品を一つ載せた場合の筺体落下シミュレーションの事例です。過渡解析にてモジュールの裏面ランド部とはんだ部の界面部にかかる応力を解析しています。四隅部の1つの角に大きな応力が発生しているのが分かります。
(解析結果を拡大すると、詳細をみることができます。)

図1 解析モデル

図1 解析モデル


図2 計算結果

図2 計算結果


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事例18: リフロー時のパッケージの変位解析

この解析では、素子を実装した基板を樹脂でパッケージし、260℃のリフロー炉に投入したことを想定しました。温度は室温(20℃)から260℃に昇温したことを仮定し、熱荷重解析をおこないました。熱荷重が加わることで、形状変化が発生し、リードが外方向に変位することから、実装性に影響する可能性があることがわかります。
(解析結果を拡大すると、詳細をみることができます。)

図1 解析モデル

図1 解析モデル


図2 計算結果

図2 計算結果


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事例19: 熱解析における基板配線パターンの影響

この解析では、同じ発熱量をICに付与し、ICの発熱を模擬した場合の、配線パタンの有無による熱の逃げ方を検証してみました。配線パタンがある基板の方が、パタンを伝わって熱が逃げるため、最高温度が約60℃ほど低くなります。また、配線パタンがある場合には、熱流束をみることで、熱の逃げ方がわかります。
(解析結果を拡大すると、詳細をみることができます。)

図1 解析モデル

図1 解析モデル


図2 計算結果

図2 計算結果


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事例20: RFモジュールの電磁界シミュレーション

この解析では、多層基板の構造を3Dシミュレーションをおこないました。RF特性を精度良く再現していることがわかります。

解析モデルと結果

解析モデルと実測との比較



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事例21: 消費電流を変えた場合のRFモジュールの熱シミュレーション

RFモジュールの発熱による熱伝導解析の事例です。発熱量を変えて温度を調べた結果、良好な特性が得られました。

解析モデルと結果

解析モデルと実測との比較



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事例22: RFモジュールの熱応力シミュレーション

モジュールでは、熱によって大きく反る場合があります。
事前にシミュレーションをおこない、要因を把握することにより、部品配置や樹脂の特性を変更をおこない、 量産時やお客様のところで発生する不具合を事前に改善することができるようになります。
この解析では、部品実装や樹脂硬化などの温度プロファイルをいくつかのステップに分けて設定します。
半田が高温で溶融したり、樹脂に温度を与えて冷やすと硬化したりする影響を、バース・デス機能を使って考慮できます。

図1 解析モデルと結果

解析モデルと実測との比較



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事例23: パイプハウス被覆の熱伝達率の評価

ビニルハウスにおける、3種類の被覆の断熱性能を定量的に比較しました。
この解析では、3種類の被覆、各5日の温度データを測定し、2次元モデルのシミュレーション より、被覆の熱伝達率を推定した。
その結果、3層構造では、通常の1層のハウスの6倍の断熱性能を持つことがわかりました。

図1 解析モデルと結果

解析モデルと実測との比較


詳細はコチラをご覧ください。

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動画事例1: スマホを落下させたときの変位

スマートホンを落下させたときの応力過渡解析です。 落下した瞬間に、コンターが変化する様子がわかります。


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動画事例2: スマートホンの落下した瞬間の応力解析(ミーゼス)

スマートホンの落下を応力過渡解析したものです。 ミーゼス応力での表示となっております。


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動画事例3: バイオリンの音波指向性解析

バイオリンの音波指向性解析です。 バイオリンの筺体による振動が空間に放射することがわかります。


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動画事例4: ペットボトルの座屈解析

ペットボトルの座屈解析です。 徐々に変形していく様子がわかります。


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動画事例5: 潜水艦とソナー

音波解析をもちいたソナーによる潜水艦の検出です。


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動画事例6: 揺れる現場事務所

事務所の揺れ振動解析です。


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