JP2010262338A - 電磁流分布処理装置、電磁流分布処理方法、及び電磁流分布処理プログラム - Google Patents

電磁流分布処理装置、電磁流分布処理方法、及び電磁流分布処理プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】
電磁流分布の時間変化量の累積値を計算することにより、少ないデータ容量で正確に信号の伝送経路を表す解析結果を計算することのできる電磁流分布処理装置、電磁流分布処理方法、及び電磁流分布処理プログラムを提供することを課題とする。
【解決手段】
空間的に離散化された複数の領域内の電磁流分布を求める処理を行う電磁流分布処理装置であって、電磁界強度に基づいて前記領域毎に電磁流の物理量を求める電磁流処理部と、前記電磁流計算部によって計算される電磁流の物理量の時間変化量を前記領域毎に求める電磁流変化量処理部と、前記電磁流変化量計算部によって計算された電磁流の物理量の時間変化量を累積して得る累積値を前記領域毎に求める累積変化量処理部とを含む。
【選択図】図8

Description

回路内における電磁流分布を計算する電磁流分布処理装置、電磁流分布処理方法、及び電磁流分布処理プログラムに関する。
近年、電子機器の高機能化及び高速化に伴い、電子機器内の電子回路を構成する多層プリント回路基板の小型化及び高密度化、ケーブル、コネクタ、板金、アンテナ等の形状が益々複雑化している。
例えば、プリント回路基板では、短時間で多量の情報が処理されることから、そのプリント回路基板には、高周波(すなわち短周期)の高速信号が伝搬される。また、回路設計の複雑化に伴い、伝送する配線の直下に適切なGND面が確保されず、配線の特性インピーダンスが設計値からずれ、高速信号の電流が想定外のルートで迂回する場合がある。
このような結果、信号波形は大きく歪み、信号が正しく伝搬されず、電子機器の誤動作の原因となる可能性がある。
このため、電子機器の設計段階において、信号の伝搬経路を正確に把握することは、特に高速信号を伝送する配線では重要である。
信号の伝搬経路を正確に把握するためには、各伝送経路における電流分布又は磁流分布等を把握する必要があるが、多層プリント基板には、膨大な数の伝送経路が含まれている。
例えば、FDTD法(Finite-difference time-domain method:時間領域差分法)を用いて、多層プリント基板のある一部分を3次元的(空間的)に離散化して磁界の分布から電流分布の時間変化を求める場合に、X、Y、Z軸方向に各々100分割した格子(セル)状の解析モデルを用いるとする。この場合、100(X方向)×100(Y方向)×100(Z方向)に離散化した10個のセルを含む解析モデルを10fsecの時間刻みで10nsec間にわたって計算すると、10×10e−9/10e−15=1e12個のデータが得られる。また、各セルについての計算結果としては、X、Y、Z軸方向の電界及び磁界を保存する必要があり、1データを単精度(float)型の4Byteのデータとすると、各点の保存領域は、4Byte×3(X、Y、Z軸方向)×2(電界/磁界)=24Byteが必要になる。従って、上述の解析モデルについて電流分布の時間変化を計算したデータの容量は、24TByteとなり、保存するためには膨大な容量のメモリが必要になる。なお、データ容量が膨大になるのは、磁流分布の時間変化を求める場合も同様である。
このように電流分布を時系列的に表すデータはデータ容量が膨大であるため、すべての伝送経路について電流分布の時間変化を求めることは現実的ではないことから、従来は、信号波形の歪みが生じそうな伝送経路を絞って、信号の伝送経路を把握することが行われていた。
また、電流分布を解析して信号の伝送経路を把握する場合に限らず、磁流分布の解析によって信号の伝送経路を把握する場合においても、すべての伝送経路について解析を行うことは現実的でないことから、信号波形の歪みが生じそうな伝送経路を絞って、信号の伝送経路を把握することが行われていた。
特開平6−266787号公報 特開2002−231813号公報
上述のように、プリント基板における電流分布又は磁流分布を時系列的に表すデータは膨大なデータ容量を有するため、一度にすべての領域の電流分布又は磁流分布を確認することは困難である。従って、従来は、プリント基板を複数の領域に分割し、信号波形の歪みが生じそうな伝送経路を絞って、領域毎に電流分布又は磁流分布の時間変化を計算する作業を繰り返すことにより、プリント基板全体の電流分布又は磁流分布の時間変化を計算していた。このような電流分布又は磁流分布の時間変化の計算には膨大な時間がかかるため、TAT(Turn Around Time:ターンアラウンドタイム)短縮の大きな妨げとなり、解析効率の低下の原因となっていた。
また、上述のようにデータ容量が膨大であるため、膨大なメモリ容量を確保したとしても、表示装置の処理速度等の制約により、テラバイトオーダーの膨大なデータが表す電流分布又は磁流分布を短時間で画像として表示できないため、現実的にはすべてのデータを表示することは困難であった。
また、信号波形の歪みが生じそうな伝送経路を絞る作業は、熟練した回路設計者の勘に頼る部分があるため、回路設計者の熟練度合によって計算結果にばらつきが生じていた。このため、最初に推定した伝送経路が誤っていた場合には、作業のやり直しが必要となり、効率的に解析を行うことができなかった。
さらに、電流分布又は磁流分布を時系列的に表すデータは、時間軸に沿って時間を細かく区切って作成されるため、データ容量の増大の一因となっていた。
そこで、電磁流分布の時間変化量の累積値を計算することにより、少ないデータ容量で正確に信号の伝送経路を表す解析結果を計算することのできる電磁流分布処理装置、電磁流分布処理方法、及び電磁流分布処理プログラムを提供することを目的とする。
本発明の実施の形態の電磁流分布処理装置は、空間的に離散化された複数の領域内の電磁流分布を求める処理を行う電磁流分布処理装置であって、電磁界強度に基づいて前記領域毎に電磁流の物理量を求める電磁流処理部と、前記電磁流計算部によって計算される電磁流の物理量の時間変化量を前記領域毎に求める電磁流変化量処理部と、前記電磁流変化量計算部によって計算された電磁流の物理量の時間変化量を累積して得る累積値を前記領域毎に求める累積変化量処理部とを含む。
電磁流分布の時間変化量の累積値を計算することにより、少ないデータ容量で正確に信号の伝送経路を表す解析結果を計算することのできる電磁流分布処理装置、電磁流分布処理方法、及び電磁流分布処理プログラムを提供することができる。
本実施の形態の電磁流分布処理装置が適用されるコンピュータシステムの斜視図である。 コンピュータシステム10の本体部11内の要部の構成を説明するブロック図である。 本実施の形態の電磁流分布処理装置によって電磁流分布の計算が行われる電子機器を示す図であり、(A)は斜視透視図、(B)は電子機器に含まれるプリント基板を示す図である。 本実施の形態の電磁流分布処理装置で用いるCADデータの一例を示す図である。 本実施の形態の電磁流分布処理装置の機能を示す機能ブロック図である。 本実施の形態の電磁流分布処理装置で用いる解析モデルの一例を示す図である。 本実施の形態の電磁流分布処理装置で計算される電流密度変化量累積データの一例を表す図であり、(A)は電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,z、(B)は磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zを表す。 本実施の形態の電磁流分布処理装置における電流密度の計算方法を示すフローチャートである。 本実施の形態の電磁流分布処理装置によって計算された電流密度と、電流密度の変化量の累積値を示す図である。 本実施の形態の電磁流分布処理装置によって計算された電流密度と、電流密度の変化量の累積値を示す図である。 本実施の形態の電磁流分布処理装置により、最終的に得られた電流密度の変化量の累積値をディスプレイ12の表示画面12Aに表示した場合の一例を示す図である。 比較用の表示例として、ある時刻における電流密度の分布を表す図であり、(A)は電流密度分布をグラデーションで表す図、(B)は電流密度分布を濃さの異なるコーンで表す図、(C)は等高線で表す図である。
以下、本発明の電磁流分布処理装置、電磁流分布処理方法、及び電磁流分布処理プログラムを適用した実施の形態について説明する。
本実施の形態において、「電磁流」とは、「電流」及び「磁流」の両方を含む文言として用いる。
図1は、本実施の形態の電磁流分布処理装置が適用されるコンピュータシステムの斜視図である。図1に示すコンピュータシステム10は、本体部11、ディスプレイ12、キーボード13、マウス14、及びモデム15を含む。
本体部11は、CPU(Central Processing Unit:中央演算装置)、HDD(Hard Disk Drive:ハードディスクドライブ)、及びディスクドライブ等を内蔵する。ディスプレイ12は、本体部11からの指示により表示画面12A上に解析結果等を表示する表示部であり、例えば、液晶モニタであればよい。キーボード13は、コンピュータシステム10に種々の情報を入力するための入力部である。マウス14は、ディスプレイ12の表示画面12A上の任意の位置を指定する入力部である。モデム15は、外部のデータベース等にアクセスして他のコンピュータシステムに記憶されているプログラム等をダウンロードする。
コンピュータシステム10に電磁流分布の計算機能を持たせる電磁流分布処理プログラム(電磁流分布処理プログラムソフトウェア又はツール)は、ディスク17等の可搬型記録媒体に格納されるか、モデム15等の通信装置を使って他のコンピュータシステムの記録媒体16からダウンロードされ、コンピュータシステム10に入力されてコンパイルされる。
電磁流分布処理プログラムは、コンピュータシステム10(即ち、後述するCPU21)を電磁流分布の計算機能を有する電磁流分布処理装置(又は、電磁流分布処理システム)として動作させる。電磁流分布処理プログラムは、例えばディスク17等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納されていてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、ディスク17、ICカードメモリ、フロッピー(登録商標)ディスク等の磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM等の可搬型記録媒体に限定されるものではなく、モデム15又はLAN等の通信装置を介して接続されるコンピュータシステムでアクセス可能な各種記録媒体を含む。
図2は、コンピュータシステム10の本体部11内の要部の構成を説明するブロック図である。本体部11は、バス20によって接続されたプロセッサ(CPU)21、RAM又はROM等を含むメモリ部22、ディスク17用のディスクドライブ23、及びハードディスクドライブ(HDD)24を含む。本実施の形態では、ディスプレイ12、キーボード13、及びマウス14は、バス20を介してCPU21に接続されているが、これらはCPU21に直接的に接続されていてもよい。また、ディスプレイ12は、入出力画像データの処理を行う周知のグラフィックインタフェース(図示せず)を介してCPU21に接続されていてもよい。
コンピュータシステム10において、キーボード13及びマウス14は、電磁流分布処理装置の入力部である。ディスプレイ12は、電磁流分布の計算結果を画面12A上に表示する表示部である。CPU21は、少なくとも、電磁界強度に基づいて前記領域毎に電磁流の物理量を求める電磁流処理部と、電磁流計算部によって計算される電磁流の物理量の時間変化量を領域毎に求める電磁流変化量処理部と、電磁流変化量計算部によって計算された電磁流の物理量の時間変化量を累積して得る累積値を領域毎に求める累積変化量処理部として機能する。
なお、コンピュータシステム10は、図1及び図2に示す構成のものに限定されず、各種周知の要素を付加してもよく、又は代替的に用いてもよい。
図3は、本実施の形態の電磁流分布処理装置によって電磁流分布の計算が行われる電子機器を示す図であり、(A)は斜視透視図、(B)は電子機器に含まれるプリント基板を示す図である。本実施の形態では、電子機器の一例として携帯電話端末機1を示す。
図3(A)に示すように、携帯電話端末機1の筐体2の外面には、表示部3及び操作部4が設けられており、筐体2の内部には、破線で示すプリント基板5が収納されている。
筐体2は、樹脂製又は金属製の筐体であり、表示部3及び操作部4を設置するための開口部を有する。表示部3は、例えば、文字、数字、画像等を表示できる液晶パネルであればよい。また、操作部4は、テンキーに加え、携帯電話端末機1の機能を選択するための種々の選択キーを含む。なお、携帯電話端末機1は、近接通信装置(赤外線通信装置、電子マネー用の通信装置等)又はカメラ等の付属装置を含んでもよい。
また、図3(B)に示すプリント基板5は、例えばFR4(ガラス布基材エポキシ樹脂基板)で構成され、表面5Aには銅箔をパターニングすることにより導電パターン6が形成されている。導電パターン6は、電子機器の駆動に必要な各種信号の伝送経路となるものである。導電パターン6は、例えば、レジストを用いたエッチング処理によってパターニングされている。
導電パターン6には、携帯電話端末1で通話、電子メール、又はインターネット等の通信を行うために必要なIC(Integrated Circuit:集積回路)及びメモリ等が電気的に接続されている。
プリント基板5として用いるFR4は、一般に、複数の絶縁層を積層し、各絶縁層の間(層間)、積層構造の最上面、及び積層構造の最下面にパターニングされた銅箔を有する。
このため、携帯電話端末1で通話、電子メール、及びインターネット等の通信を行うために必要な配線及び回路は、FR4の層間や最下面にも形成されていてもよい。
また、プリント基板5は、導電パターン6を形成でき、回路を搭載することのできる誘電体製の基板であれば、FR4以外の基板であってもよい。
また、導電パターン6は、電力損失が小さく、導電率が高い金属であれば銅(Cu)以外の金属(例えば、アルミニウム(Al)等)であってもよい。
このようなプリント基板5に形成される導電パターン6のCAD(Computer Aided Design:コンピュータ支援設計)データは、図2に示すHDD24に格納されている。
図4は、本実施の形態の電磁流分布処理装置で用いるCADデータの一例を示す図である。CADデータは、プリント基板5に含まれる各層のサイズ、プリント基板5に形成されるビアホール等の位置、サイズ、プリント基板5に形成される各導電パターン6の層番号、信号の種類、データ速度、誘電率、電気伝導率、配線幅、銅箔厚、層間距離、配線高さ、始点位置、及び終点位置等を含む。始点位置、及び終点位置は、プリント基板5上で定められた所定の基準位置に対する距離として表されている。
次に、本実施の形態の電磁流分布処理装置による電磁流分布の計算手法について説明する。以下では、図1に示すコンピュータシステム10を電磁流分布の計算機能を有する電磁流分布処理装置として動作させる電磁流分布処理プログラムは、図2に示すHDD24に格納されているものとして説明を行う。
図5は、本実施の形態の電磁流分布処理装置の機能を示す機能ブロック図である。この機能ブロックは、図2に示すCPU21がHDD24に格納されている電磁流分布処理プログラムを実行することによって実現される。
CPU21によって実現される機能ブロックは、設計データ読出部211、条件作成部212、解析モデル作成部213、電磁界計算部214、電磁流密度計算部215、電磁流密度変化量計算部216、電磁流密度累積値計算部217、平均値計算部218、計算結果表示部219、及び管理部220を含む。
設計データ読出部211は、HDD24に格納されているCADデータを読み出す。
条件作成部212は、キーボード13又はマウス14を介して入力される条件に基づき、後述する解析モデルを作成するための解析条件を作成する。入力される条件としては、例えば、解析を行う領域(以下、解析領域)、解析領域のX、Y、Z軸方向における分割数、解析を行う時間(解析時間)、解析時間中において電磁流の変化量を計算する単位時間等が挙げられる。
解析モデル作成部213は、条件作成部212によって作成された解析条件のうちの解析領域及び分割数を表すデータに基づき、プリント基板5及び導電パターン6を含む三次元空間を離散化し、解析モデルを作成する。
解析モデルは、プリント基板5及び導電パターン6のうち、解析領域内に含まれる部分(三次元領域)を図6に示すようにX、Y、Z軸方向における分割数で分割してセルに分けた空間モデルである。
図6は、本実施の形態の電磁流分布処理装置で用いる解析モデルの一例を示す図である。図6に示すように、解析モデルは、X軸方向にl個(lは2以上の任意の整数)、Y軸方向にm個(mは2以上の任意の整数)、Z軸方向にn個(nは2以上の任意の整数)に分割されることにより、三次元的に離散化されたセルを含む。各セルの座標は(X,Y,Z)座標で与えられる。
図5に示す電磁界計算部214は、例えば、FDTD法を用いて、初期時刻t0から単位時間Δt経過毎の時刻t1〜tend毎に、解析時間(t0〜tend)内における電磁界の強度及び方向を表す電磁界データをセル毎かつ単位時間毎に計算する。
なお、電磁界データの初期値(磁界と電界の強度及び方向を表す初期値)については、CADデータに含まれる信号の種類、データ速度、及び誘電率等に基づき、電磁界計算部214によって求められる。電磁界データの初期値は、磁界の強度及び電界の強度ともに零に設定してもよい。
ここで、電磁界データのうちの時刻tにおける磁界データをHx,y,z(t)で表し、電界データをEx,y,z(t)として表す。磁界データHx,y,z(t)は、強度(スカラ量)及びX、Y、Z軸方向の成分の値を有する。同様に、Ex,y,z(t)は強度(スカラ量)及びX、Y、Z軸方向の成分の値を有する。
各セルの磁界データHx,y,z(t)は、例えば、セルの6面をそれぞれ貫く磁界の強度及び方向を表す6本の法線ベクトル(X、Y、Z軸方向に2本ずつある)を計算し、各軸2本の法線ベクトルの磁界の平均値として導出されるベクトルが表す強度(スカラ量)及び方向として求めることができる。
また、各セルの電界データEx,y,z(t)は、例えば、セルを囲む12本の辺(X、Y、Z軸方向に4本ずつある辺)における電界を計算し、各軸方向の4本の辺の電界の平均値として計算される電界の値として求めることができる。
電磁流密度計算部215は、電磁界計算部214によって計算される磁界データHx,y,z(t)を周回積分することにより、時刻tにおける電流密度Ix,y,z(t)を計算するとともに、電界データEx,y,z(t)を周回積分することにより、時刻tにおける磁流密度Jx,y,z(t)を計算する。ここで、電流密度Ix,y,z(t)と磁流密度Jx,y,z(t)は、電磁流の物理量として計算される。
なお、電流密度Ix,y,z(t)は、電流密度の値、及びX、Y、Z軸方向の成分の値を有し、磁流密度Jx,y,z(t)は、磁流密度の値、及びX、Y、Z軸方向の成分の値を有する。
電磁流密度変化量計算部216は、次式(1)(2)を用いて、電流密度Ix,y,z(t)と磁流密度Jx,y,z(t)の単位時間毎の変化量の絶対値を計算する。
ΔIx,y,z(t)=|Ix,y,z(t)−Ix,y,z(t−Δt)| ・・・(1)
ΔJx,y,z(t)=|Jx,y,z(t)−Jx,y,z(t−Δt)| ・・・(2)
式(1)により、電流密度の変化量ΔIx,y,z(t)が絶対値で計算され、式(2)により、磁流密度の変化量ΔJx,y,z(t)が絶対値で計算される。
このように、電磁流密度変化量計算部216は、解析時間(t0〜tend)内の各時刻における電流密度Ix,y,z(t)と磁流密度Jx,y,z(t)の単位時間毎の変化量の絶対値を計算する。
なお、電流密度の変化量ΔIx,y,z(t)は、X、Y、Z軸方向の成分の値を有し、磁流密度の変化量ΔJx,y,z(t)は、X、Y、Z軸方向の成分の値を有する。
電磁流密度累積値計算部217は、電磁流密度変化量計算部216によって計算された時刻tでの電流密度の変化量ΔIx,y,z(t)に基づき、次式(3)を用いて、時刻tまでの電流密度の変化量の累積値をセル毎に計算する。この処理は、時刻tendまで行われる。
SumΔIx,y,z=Σt=t1,tendΔIx,y,z(t) ・・・(3)
なお、セル毎の電流密度の変化量の累積値は、電流分布を表す。
また、同様に、電磁流密度累積値計算部217は、電磁流密度変化量計算部216によって計算された時刻tでの磁流密度の変化量ΔJx,y,z(t)に基づき、次式(4)を用いて、時刻tまでの磁流密度の変化量の累積値をセル毎に計算する。この処理は、時刻tendまで行われる。
SumΔJx,y,z=Σt=t1,tendΔJx,y,z(t) ・・・(4)
なお、セル毎の磁流密度の変化量の累積値は、磁流分布を表す。
ここでは、電磁流密度累積値計算部217が解析時間(t0〜tend)の間のすべての電流密度の変化量(絶対値)を累積して電流密度の変化量の累積値を計算する形態について説明した。しかしながら、例えば、ノイズによって値に大きなばらつき(偏差)が生じるおそれがあるような場合には、偏差の大きい変化量を累積しない方が最終的に得られる累積値の信頼性が向上する場合もある。このような場合には、変化量(絶対値)の下限閾値と上限閾値をメモリ部22に格納しておき、電磁流密度累積値計算部217が累積を行う前に、変化量を下限閾値と上限閾値と比較し、下限閾値から上限閾値の範囲内にある変化量だけを累積して、電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,zを演算するようにしてもよい。これは、磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zについても同様である。
また、電子機器によっては、定常状態になるまでの立ち上がり時間が分かっている場合や、解析時間(t0〜tend)の間のある一部分の時間帯の電流密度の変化量だけを累積したい場合がありうる。このような場合には、電流密度の変化量の累積を行う開始時刻と終了時刻を解析時間(t0〜tend)の間で設定し、電磁流密度累積値計算部217が開始時刻と終了時刻の間の電流密度の変化量だけを累積して累積値を計算するようにしてもよい。
また、電子機器によっては、解析領域(X,Y,Z)=(1,1,1)〜(l、m、n)の中のある一部分の領域の電流密度の変化量だけを累積したい場合がありうる。このような場合には、電流密度の変化量の累積を行う開始座標と終了座標を解析領域の中で設定し、電磁流密度累積値計算部217が開始座標と終了座標の間の電流密度の変化量だけを累積して累積値を計算するようにしてもよい。
図7は、本実施の形態の電磁流分布処理装置で計算される電流密度変化量累積データの一例を表す図であり、(A)は電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,z、(B)は磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zを表す。
電磁流密度累積値計算部217によって計算される電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,z及び磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zは、図7(A),(B)に示すようにセル毎にHDD24に保存される。
電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,z及び磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zは、時刻tまでの電流密度及び磁流密度の変化量の絶対値をセル毎に累積した値であるため、セル毎の電流及び磁流の変化量の大小を表すことになる。
また、電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,z及び磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zは、時間方向における電流密度及び磁流密度の変化量を累積してあるので、各セルにつき、データは一つで済む。このため、従来のように時間的な変化を表す膨大な量のデータに比べて、データ容量を小さくすることができる。
図5に示す平均値計算部218は、電磁流密度累積値計算部217によって各セルについて計算される電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,z及び磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zの各々の平均値を計算する。
平均値は、すべてのセルにおける累積値SumΔIx,y,z及び磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zについて計算してもよいが、例えば、ノイズ等の影響によって値がずれる可能性がある場合は、以下で説明するように、標準偏差以内の累積値の平均値を計算してもよい。
平均値計算部218は、次式(5)を用いて、電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,zのうち、所定の標準偏差±σ以内の累積値の平均値を計算する。
AveΔI=1/aΣx=1,lΣy=1,mΣz=1,n SumΔIx,y,z ・・・(5)
ただし、aは、すべてのセルについての累積値SumΔIx,y,zのうち、所定の標準偏差±σ以内の累積値の数を表す。
同様に、平均値計算部218は、次式(6)を用いて、磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zのうち、所定の標準偏差±σ以内の累積値の平均値を計算する。
AveΔJ=1/bΣx=1,lΣy=1,mΣz=1,n SumΔJx,y,z ・・・(6)
ただし、bは、すべてのセルについての累積値SumΔJx,y,zのうち、所定の標準偏差±σ以内の累積値の数を表す。
なお、ここでは、平均値計算部218が所定の標準偏差(±σ、±σ)以内の累積値の平均値を計算する形態について説明するが、すべての累積値の平均値との差が所定の閾値(±の閾値)以内の累積値について平均値を求めてもよい。
図5に示す計算結果表示部219は、電磁流密度累積値計算部217によって計算される電流密度又は磁流密度の変化量の累積値を図1に示すディスプレイ12の表示画面12Aに表示する。表示内容については後述する。
図5に示す管理部220は、HDD24へのデータの格納を管理するデータ管理部である。管理部220の処理内容については、図8に示すフローチャートにおいて説明する。
次に、図8に示すフローチャートを用いて、本実施の形態の電磁流分布処理装置における電流密度の計算方法について説明する。
図8は、本実施の形態の電磁流分布処理装置における電流密度の計算方法を示すフローチャートである。図8に示す計算は、CPU21が本実施の形態の電磁流分布の計算機能を持たせる電磁流分布処理プログラムを実行することによって行われる。なお、解析時間はt0(開始時刻)〜tend(終了時刻)に設定されているものとする。
また、ここでは、解析領域(X=1〜l、Y=1〜m、Z=1〜n)内のすべてのセルの各々について、座標値の小さいセルから大きいセルにかけて順番に電流密度及び磁流密度の変化量の累積値を求める。計算処理の順番は、座標(X,Y,Z)=(1,1,1)のセルから開始して、X方向、Y方向、及びZ方向の順に計算を進め、座標(X,Y,Z)=(l、m、n)のセルが最後となる。
計算処理が開始(スタート)されると、CPU21は、解析を行う時刻tを開始時刻t0に設定する(ステップS1)。
次いで、CPU21は、解析領域のZ座標をZ=1に設定する(ステップS2)。Z方向については、Z=1〜nまで座標値をインクリメントしながら順番に計算を行うためである。
次いで、CPU21は、解析領域のY座標をY=1に設定する(ステップS3)。Y方向については、Y=1〜mまで座標値をインクリメントしながら順番に計算を行うためである。
さらに、CPU21は、解析領域のX座標をX=1に設定する(ステップS4)。X方向については、X=1〜lまで座標値をインクリメントしながら順番に計算を行うためである。
次いで、CPU21は、電磁界の計算を行う(ステップS5)。ステップS5の計算処理は、単位時間前の電磁界の値と、CADデータに含まれるデータ速度及び誘電率等に基づき、単位時間の間に変化した後の磁界Hx,y,zと電界Ex,y,zを計算する処理である。ステップS5の計算処理は、CPU21内の機能ブロックのうち、図5に示す電磁界計算部214によって行われる。なお、単位時間前の電磁界の値は、メモリ部22のRAM等に一時的に記憶されている。
CPU21は、ステップS5で計算した磁界Hx,y,zに対して周回積分を行うことにより、セルにおける電流密度Ix,y,zを計算するとともに、ステップS5で計算した電界Ex,y,zに対して周回積分を行うことにより、セルにおける磁流密度Jx,y,zを計算する。さらに、CPU21は、上述した式(1)、(2)を用いて、電流密度Ix,y,zと磁流密度Jx,y,zの単位時間毎の変化量ΔIx,y,z(t)、ΔJx,y,zを計算する(ステップS6)。ステップS6の計算処理は、CPU21内の機能ブロックのうち、図5に示す電磁流密度計算部215及び電磁流密度変化量計算部216によって行われる。
CPU21は、上述した式(3)、(4)を用いて、ステップS6で計算した電流密度の変化量ΔIx,y,z(t)及び磁流密度の変化量ΔJx,y,z(t)を累積し、時刻tまでの電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,z及び磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zを計算する(ステップS7)。ステップS7の計算処理は、CPU21内の機能ブロックのうち、図5に示す電磁流密度累積値計算部217によって行われる。
次いで、CPU21は、ステップS7で計算した電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,zと磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zをセル毎にHDD24に保存する(ステップS8)。ステップS8で累積値をHDD24に保存する処理は、管理部220によって行われる。
ここで、ステップS5〜S7においてCPU21が計算する値のうち、管理部220がHDD24に保存するデータは、ステップS7で計算する電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,zと磁流密度の変化量の累積値SumΔJx,y,zだけである。すなわち、管理部220は、電磁流密度計算部215が電磁流密度を計算したセルについて、電磁流密度変化量計算部216が電磁流密度の時間変化量を計算し、計算された電磁流密度の時間変化量を電磁流密度累積値計算部217が累積した場合に、累積値をHDD24に保存する。
このため、CPU21は、ステップS5、S6で計算した磁界Hx,y,z、電界Ex,y,z、電流密度Ix,y,z、磁流密度Jx,y,zについては、必要に応じてメモリ部22のRAM等に一時的に記憶させて計算を行う。これは、HDD24に保存するデータの容量を抑えるためである。
次いで、CPU21は、X軸座標値をインクリメント(X=X+1)する(ステップS9)。
また、CPU21は、X軸座標値について、X>lが成立するか否かを判定する(ステップS10)。X軸座標値が最大値lに到達したか否かを判定するためである。
CPU21は、ステップS10でX>lが不成立と判定すると、フローをステップS5にリターンし、ステップS5〜S10の処理を繰り返し実行する。
CPU21は、ステップS10でX>lが成立すると判定すると、フローをステップS11に進め、Y軸座標値をインクリメント(Y=Y+1)する(ステップS11)。
また、CPU21は、Y軸座標値について、Y>mが成立するか否かを判定する(ステップS12)。Y軸座標値が最大値mに到達したか否かを判定するためである。
CPU21は、ステップS12でY>mが不成立と判定すると、フローをステップS4にリターンし、ステップS4〜S12の処理を繰り返し実行する。
CPU21は、ステップS12でY>mが成立すると判定すると、フローをステップS13に進め、Z軸座標値をインクリメント(Z=Z+1)する(ステップS13)。
また、CPU21は、Z軸座標値について、Z>nが成立するか否かを判定する(ステップS14)。Z軸座標値が最大値nに到達したか否かを判定するためである。
CPU21は、ステップS14でZ>nが不成立と判定すると、フローをステップS3にリターンし、ステップS3〜S14の処理を繰り返し実行する。
CPU21は、ステップS14でZ>nが成立すると判定すると、フローをステップS15に進め、解析時刻tに単位時間Δtを加算する(ステップS15)。単位時間経過毎の磁界、電界、電流密度、及び磁流密度をセル毎に計算するためである。なお、ここでいう単位時間Δtとは、解析時刻t0、t1、t2、・・・、tendの各々の時刻の間の時間であり、任意に設定することができる。
CPU21は、続くステップS16で解析時刻tと終了時刻tendに対してt>tendが成立するか否かを判定する(ステップS16)。これは、終了時刻tendまでステップS2〜S16の処理を繰り返し実行するためである。
CPU21は、ステップS16でt>tendが成立しないと判定した場合は、フローをステップS2にリターンし、ステップS2〜S16の処理を繰り返し実行する。
また、CPU21は、ステップS16でt>tendが成立すると判定した場合は、フローをステップS17に進め、上述した式(5)、(6)を用いて、電流密度の変化量の累積値の平均値AveΔIと磁流密度の変化量の累積値の平均値AveΔJを計算する(ステップS17)。ステップS17は、CPU21に含まれる機能ブロックのうちの平均値計算部218によって実行される。
ステップS17では、電流密度の変化量の累積値SumΔIx,y,zのうち、所定の標準偏差±σ以内の累積値の平均値AveΔIと所定の標準偏差±σ以内の累積値の平均値AveΔJが計算される。
以上により、本実施の形態の電磁流分布処理装置による解析モデルにおける電流密度の変化量、磁流密度の変化量、電流密度と磁流密度の変化量の絶対値の累積値、及び電流密度と磁流密度の累積値の平均値の計算が終了する(エンド)。
図9及び図10は、本実施の形態の電磁流分布処理装置によって計算された電流密度と、電流密度の変化量の累積値を示す図である。ここでは、説明の便宜上、電流密度と電流密度の変化量の累積値について説明するが、磁流密度と磁流密度の変化量の累積値についても同様に表すことができるものである。
図9及び図10において、左側の図9(A)及び図10(A)には、時刻t0〜t18の各時刻における電流密度を表し、右側の図9(B)及び図10(B)には、時刻t0〜t18の各時刻までの電流密度の変化量の累積値を表す。
なお、説明の便宜上、図9及び図10には、枠内に示すようにX軸方向に5個、Y軸方向に5個で25個のセルが同一のZ軸座標値で表される層内に配列されている領域内の電流密度と変化量の累積値とを簡単な数値で示す。
また、X軸座標値及びY軸座標値については、説明の便宜上、各時刻の電流密度分布の脇に1〜5の数値で表すように座標値を割り振る。すなわち、25個のセルの左下が(X,Y)=(1,1)であり、右上が(X,Y)=(5,5)である。
時刻t0では、図9(A)に示すように、すべてのセルにおいて電流密度は零(0)である。このため、図9(B)に示す電流密度の変化量の累積値もすべてのセルにおいて零(0)である。
時刻t1では、図9(A)に示すように、(X,Y)=(1,5)のセルの電流密度が「1」になっており、電流が流れ始めたことを表している。これにより、図9(B)に示すように、(X,Y)=(1,5)のセルの電流密度の変化量の累積値は「1.0」となっている。
時刻t2〜t5では、図9(A)に示すように、(X,Y)=(2,5)、(3,5)、(3,4)、(3,3)のセルの電流密度が順次「1」になっており、電流が流入していることが分かる。これにより、図9(B)に示すように、(X,Y)=(2,5)、(3,5)、(3,4)、(3,3)のセルの電流密度の変化量の累積値は順次「1.0」となっている。
時刻t6では、図9(A)に示すように、電流が(X,Y)=(3,2)のセルと(4,3)のセルに分岐し、それぞれ電流密度「0.9」と「0.1」の電流が流入している。これにより、図9(B)に示すように、(X,Y)=(3,2)のセルと(4,3)のセルの電流密度の変化量の累積値は、それぞれ「0.9」と「0.1」となっている。
時刻t7〜t9では、電流密度「0.9」の電流は(X,Y)=(3,1)、(2,1)、(1,1)のセルに順次流入しており、電流密度「0.1」の電流は、時刻t7で(X,Y)=(5,3)のセルに流入した後は、25個のセルの外部に流出していることが分かる。
これにより、図9(B)に示すように、(X,Y)=(3,1)、(2,1)、(1,1)のセルの電流密度の変化量の累積値は、時刻t7〜t9において、順次「0.9」となっている。また、時刻t7において、(X,Y)=(5,3)のセルの電流密度の変化量の累積値は、「0.1」となっている。
図10(A)に示すように、時刻t10で(X,Y)=(1,5)のセルの電流密度が零(0)になると、電流密度の変化量を絶対値で表す図10(B)では、(X,Y)=(1,5)のセルの電流密度の変化量の累積値は「2.0」になる。
時刻t11〜t14では、図10(A)に示すように、(X,Y)=(2,5)、(3,5)、(3,4)、(3,3)のセルの電流密度が順次零(0)になる。これにより、図10(B)に示す電流密度の変化量(絶対値)は、(X,Y)=(2,5)、(3,5)、(3,4)、(3,3)のセルで順次「2.0」になる。
時刻t15では、図10(A)に示すように、(X,Y)=(3,2)、(4,3)のセルの電流密度が零(0)になり、時刻t16では、(X,Y)=(3,1)、(5,3)のセルの電流密度が零(0)になる。これにより、図10(B)に示す電流密度の変化量(絶対値)は、時刻t15では、(X,Y)=(3,2)、(4,3)のセルで、それぞれ「1.8」、「0.2」になり、時刻t16では、(X,Y)=(3,1)、(5,3)のセルで、それぞれ「1.8」、「0.2」になる。
時刻17、t18では、(X,Y)=(2,1)、(1,1)のセルの電流密度が順次零(0)になり、これにより、図10(B)に示す電流密度の変化量(絶対値)は、(X,Y)=(2,1)、(1,1)のセルで、それぞれ「1.8」になる。
図11は、本実施の形態の電磁流分布処理装置により、最終的に得られた電流密度の変化量の累積値をディスプレイ12の表示画面12Aに表示した場合の一例を示す図である。
図11(A)は、累積値の平均値(1.91)との差を百分率(%)の範囲(〜−20%、−20%〜−10%、−10%〜+10%、+20%〜+20%、+20%〜)で区分し、各範囲でドットの密度を変えて表した表示例を示す。図11(B)は、電流密度の変化量(絶対値)の累積値を値の範囲(0〜1.0、1.0〜1.5、1.5〜2.0、2.0〜2.5、2.5〜3.0)で区分し、各範囲でドットの密度を変えて表した表示例を示す。なお、表示画面12Aへの表示は、計算結果表示部219によって行われる。
図11(A)、(B)ともに、最終的に図10(B)の時刻t18までに累積された電流密度の変化量(絶対値)の累積値が高いセルが濃いドットで表されており、一方、累積値が比較的低い(X,Y)=(4,3)、(5,3)のあたりは薄いドットで表されている。この最終的な電流密度の変化量(絶対値)の累積値は、時間方向の変化量(絶対値)の総和をとっているため、データ容量は非常に少なくて済み、かつ、信号の伝送経路を正確に表示することができる。これは、電磁流密度の変化量(絶対値)の累積値についても同様である。
図12は、比較用の表示例として、ある時刻における電流密度の分布を表す図であり、(A)は電流密度分布をグラデーションで表す図、(B)は電流密度分布を濃さの異なるコーンで表す図、(C)は等高線で表す図である。
図12(A)〜(C)に示すような電流密度分布は、熟練した回路設計者が予め電流経路となる箇所を推定し、その箇所の電流密度分布を3次元電磁界解析等で解析し、解析結果として出力されるものである。このようなある時刻の電流分布密度を幾つもの時刻について求め、電流分布の時間的な変化を目視で見つけることにより、電流密度分布の大きい部分を電流経路として捉えていた。
このように、電流密度をグラデーション、コーン、又は等高線で表すことは従来から行われているが、ある時刻における電流密度の分布を表示しているに過ぎず、時刻によって電流密度が全く変化するような場合もあるため、幾つもの時刻における電流密度の分布を計算する必要があり、データ容量が大きく、効率的な解析を行うことが困難であった。
これに対して、本実施の形態の電磁流分布処理装置によれば、上述のように、電流密度の変化量の絶対値と磁流密度の変化量の絶対値を時間軸方向に累積し、累積値で電流分布と磁流分布を表すので、従来のように時系列的に表された電流密度と磁流密度の変化を用いなくても、少ない容量のデータで正確かつ容易に信号の電磁流分布を表現することができる。
また、時系列的な電磁流分布の変化を表すデータを電磁流分布の表示に用いないため、データ容量は従来の表示手法に比べて各段に小さくなり、プリント基板のすべての領域についても電磁流分布を計算することができる。これにより、熟練した回路設計者の勘に頼ることなく、効率的かつ正確に伝送経路における電磁流分布を把握することができ、高密度実装化が進む小型で高機能の電子機器の設計を従来よりも容易に行うことができる。
このため、プリント基板に形成されたすべて伝送経路について電磁流分布を計算しても、従来のように膨大な時間は必要ないため、伝送経路の解析におけるTATを大幅に短縮でき、解析効率を大幅に改善することができる。
また、データ容量が小さいため、計算結果を短時間で容易に表示することができる。
さらに、データを保存するためのメモリの容量も各段に小さいもので済むため、電磁流分布処理装置を安価に提供することができる。
なお、図11には、電流分布を白黒で示したが、カラー表示してもよい。カラー表示する場合は、図11のようにドットの密度を変える代わりに、色を変えて表示すればよい。
また、図11には、累積値の平均値との差を百分率(%)の範囲で区分し、各範囲でドットの密度を変えて表した表示例と、変化量(絶対値)の累積値を値の範囲で区分し、すべての範囲の累積値を表示する表示例を示した。
しかしながら、ある特定の範囲(例えば、図11(A)で+20%〜+20%のみ、あるいは、図11(B)で2.0〜2.5のみ)のように特定の範囲だけを表示させたい場合もある。このような場合には、条件作成部212がキーボード13等からの入力に従って範囲の条件を作成し、作成された条件に従って、計算結果表示部219が表示を行うようにすればよい。なお、条件作成部212は、範囲の幅についてもキーボード13等から入力に従って、任意の幅を設定する。
また、以上では、電磁流の物理量として電流密度又は磁流密度を用いる形態について説明したが、時間変化量の累積値で電流分布又は磁流分布を表せる物理量であれば、電磁流の物理量は電流密度又は磁流密度に限られるものではない。
また、以上では、電磁界の計算にFDTD法を用いる形態について説明したが、電磁界の計算方法はFDTDに限定されるものではない。電磁界の計算方法は、電磁界の時間領域の変化量を導出できる計算手法であればよく、例えば、モーメント法を用いて時間的な変化量を計算してもよい。
以上、本発明の例示的な実施の形態の電磁流分布処理装置、電磁流分布処理方法、及び電磁流分布処理プログラムについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
空間的に離散化された複数の領域内の電磁流分布を求める処理を行う電磁流分布処理装置であって、
電磁界強度に基づいて前記領域毎に電磁流の物理量を求める電磁流処理部と、
前記電磁流計算部によって計算される電磁流の物理量の時間変化量を前記領域毎に求める電磁流変化量処理部と、
前記電磁流変化量計算部によって計算された電磁流の物理量の時間変化量を累積して得る累積値を前記領域毎に求める累積変化量処理部と
を含む、電磁流分布処理装置。
(付記2)
前記累積値の計算に必要なデータを保存するデータベースと、
前記データベースへのデータの保存を管理するデータ管理部と
をさらに含み、
前記データ管理部は、前記電磁流処理部が前記電磁流の物理量を計算した領域について、前記電磁流変化量処理部が前記電磁流の物理量の時間変化量を求め、当該計電磁流の物理量の時間変化量を前記累積変化量処理部が累積した場合に、前記累積値を前記データベースに保存する、付記1に記載の電磁流分布処理装置。
(付記3)
前記累積変化量処理部は、前記電磁流の時間変化量の絶対値の累積値を計算する、付記1又は2に記載の電磁流分布処理装置。
(付記4)
所定空間に含まれる前記領域毎に前記累積変化量処理部によって求められる累積値の平均値を求める平均値計算部をさらに含む、付記1乃至3のいずれか一項に記載の電磁流分布処理装置。
(付記5)
前記平均値処理部は、前記領域毎に前記累積変化量処理部によって計算される前記累積値のうち、所定の標準偏差以内の累積値を用いて、又は所定の下限閾値と上限閾値の間にある累積値を用いて、前記平均値を求める、付記4に記載の電磁流分布処理装置。
(付記6)
前記累積変化量処理部によって求められる処理結果を表示する表示部をさらに含む、付記1乃至5のいずれか一項に記載の電磁流分布処理装置。
(付記7)前記表示部は、前記累積値の値に応じて、前記領域の表示を変える、付記6に記載の電磁流分布処理装置。
(付記8)前記電磁流変化量計算部は、任意の時間間隔で電磁流の物理量の時間変化量を計算する、付記1乃至7のいずれか一項に記載の電磁流分布処理装置。
(付記9)前記累積変化量計算部は、前記複数の領域のうち、任意の複数の領域について、前記電磁流の物理量の時間変化量を累積して前記累積値を得る、付記1乃至8のいずれか一項に記載の電磁流分布処理装置。
(付記10)前記累積変化量計算部は、任意の時間帯における前記電磁流の物理量の時間変化量について、前記電磁流の物理量の時間変化量を累積して前記累積値を得る、付記1乃至9のいずれか一項に記載の電磁流分布処理装置。
(付記11)
コンピュータが空間的に離散化された複数の領域内における電磁流分布求める処理を実行する電磁流分布計算方法であって、
前記コンピュータは、
電磁界強度に基づいて前記領域毎に電磁流の物理量を求める処理を実行する電磁流処理工程と、
前記電磁流処理工程によって求められる電磁流の物理量の時間変化量を前記領域毎に求める処理を実行する電磁流変化量処理工程と、
前記電磁流変化量処理工程によって求められた電磁流の物理量の時間変化量を累積して得る累積値を前記領域毎に求める処理を実行する累積変化量処理工程と
を実行することを特徴とする電磁流分布処理方法。
(付記12)
電磁界分布を計算するコンピュータに、前記電磁界分布に基づき、空間的に離散化された複数の領域内における電磁流分布を求める処理を実行させるための電磁流分布処理プログラムであって、
前記コンピュータを
電磁界強度に基づいて前記領域毎に電磁流の物理量を求める電磁流処理部、
前記電磁流処理部によって求められた電磁流の物理量の時間変化量を前記領域毎に求める電磁流変化量処理部、及び
前記電磁流変化量処理部によって計算された電磁流の物理量の時間変化量を累積して得る累積値を前記領域毎に求める累積変化量処理部
として機能させる電磁流分布処理プログラム。
1 携帯電話端末機
2 筐体
3 表示部
4 操作部
5 プリント基板
6 導電パターン
10 コンピュータシステム
11 本体部
12 ディスプレイ
13 キーボード
14 マウス
15 モデム
16 記録媒体
17 ディスク
21 CPU
22 メモリ部
23 ディスクドライブ
20 バス
24 HDD
211 設計データ読出部
212 条件作成部
213 解析モデル作成部
214 電磁界計算部
215 電磁流密度計算部
216 電磁流密度変化量計算部
217 電流密度累積値計算部
218 平均値計算部
219 計算結果表示部
220 管理部

Claims (8)

  1. 空間的に離散化された複数の領域内の電磁流分布を求める処理を行う電磁流分布処理装置であって、
    電磁界強度に基づいて前記領域毎に電磁流の物理量を求める電磁流処理部と、
    前記電磁流計算部によって計算される電磁流の物理量の時間変化量を前記領域毎に求める電磁流変化量処理部と、
    前記電磁流変化量計算部によって計算された電磁流の物理量の時間変化量を累積して得る累積値を前記領域毎に求める累積変化量処理部と
    を含む、電磁流分布処理装置。
  2. 前記累積値の計算に必要なデータを保存するデータベースと、
    前記データベースへのデータの保存を管理するデータ管理部と
    をさらに含み、
    前記データ管理部は、前記電磁流処理部が前記電磁流の物理量を計算した領域について、前記電磁流変化量処理部が前記電磁流の物理量の時間変化量を求め、当該計電磁流の物理量の時間変化量を前記累積変化量処理部が累積した場合に、前記累積値を前記データベースに保存する、請求項1に記載の電磁流分布処理装置。
  3. 前記累積変化量処理部は、前記電磁流の時間変化量の絶対値の累積値を計算する、請求項1又は2に記載の電磁流分布処理装置。
  4. 所定空間に含まれる前記領域毎に前記累積変化量処理部によって求められる累積値の平均値を求める平均値計算部をさらに含む、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電磁流分布処理装置。
  5. 前記平均値処理部は、前記領域毎に前記累積変化量処理部によって計算される前記累積値のうち、所定の標準偏差以内の累積値を用いて、又は所定の下限閾値と上限閾値の間にある累積値を用いて、前記平均値を求める、請求項4に記載の電磁流分布処理装置。
  6. 前記累積変化量処理部によって求められる処理結果を表示する表示部をさらに含む、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の電磁流分布処理装置。
  7. コンピュータが空間的に離散化された複数の領域内における電磁流分布求める処理を実行する電磁流分布計算方法であって、
    前記コンピュータは、
    電磁界強度に基づいて前記領域毎に電磁流の物理量を求める処理を実行する電磁流処理工程と、
    前記電磁流処理工程によって求められる電磁流の物理量の時間変化量を前記領域毎に求める処理を実行する電磁流変化量処理工程と、
    前記電磁流変化量処理工程によって求められた電磁流の物理量の時間変化量を累積して得る累積値を前記領域毎に求める処理を実行する累積変化量処理工程と
    を実行することを特徴とする電磁流分布処理方法。
  8. 電磁界分布を計算するコンピュータに、前記電磁界分布に基づき、空間的に離散化された複数の領域内における電磁流分布を求める処理を実行させるための電磁流分布処理プログラムであって、
    前記コンピュータを
    電磁界強度に基づいて前記領域毎に電磁流の物理量を求める電磁流処理部、
    前記電磁流処理部によって求められた電磁流の物理量の時間変化量を前記領域毎に求める電磁流変化量処理部、及び
    前記電磁流変化量処理部によって計算された電磁流の物理量の時間変化量を累積して得る累積値を前記領域毎に求める累積変化量処理部
    として機能させる電磁流分布処理プログラム。
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