W HITE PAPE R | CST AG 2014 EFFICIENT ELECTROMAGNETIC SIMULATION OF SHIELDING MECHANISMS IN MICROWAVE OVENS 電子レンジの遮蔽機構の電磁界シミュレーション電子レンジのドアは食品の出し入れ口であると同時に、熱空洞の構造の一部でもあります。ドア周りは密閉できないため、電磁波が漏洩して他の電子機器に干渉する可能性や人体内部の電力レベルが安全基準を超えるおそれを念頭に置いた設計が求められます。具体的には、漏洩電磁波に関して法律の定める規格に従い、電子レンジから特定の距離を置いた場所における電力強度を規定値以下に抑える必要があります。さらに EMC 規格を満たす必要もあります。この資料では遮蔽機構のシミュレーション事例を紹介し、電磁界解析の導入により設計効率が向上する可能性を示します。高周波電磁界と誘電体の相互作用によって生じるマイクロ波加熱は、調理、乾燥、殺菌などに使用されます。しかしこれらの有益性も、管理された熱空洞環境の外では危険かつ有害な効果でしかありません。事故防止のために電子レンジは適切に遮蔽し RF 波の漏洩を防ぐ必要があります。暴露の規制については、複数の機関によって暴露限度と試験方法がそれぞれ定められています。その一部を下表に示します。規制機関 British Standards Institution （UK）および IEC FDA（USA） 5cm 距離の電力密度 5 mW / cm2 [1] 1 mW / cm2 購入前 5 mW / cm2 購入後[2] 1 mW / cm2 閉口時 5 mW / cm2 閉口時および経済産業省（日本）発振停止装置が動作する図 1: 遮蔽性が低い電子レンジからの漏洩直前の最大位置の開口時 [3] Radiation Protection Bureau 1 mW / cm2 試験負荷有（Canada） 5 mW / cm2 負荷無[4] 表 1: 電子レンジ暴露限度密封された熱空洞でのみ構成されていれば遮蔽は難しくありません。しかし現実の電子レンジには漏洩が生じる可能性のある場所が少なからずあります。たとえば庫内に食遮蔽性の改善が必要とされるもうひとつの理由は電磁両品を出し入れするためにドアが必要ですが、そのために空立性（EMC）にあります。電子レンジの電磁界が周囲の電洞のエッジ周りにシーム部分が形成され、そこから電磁波子機器に結合してスプリアス信号が発生すると、機器がダが漏洩する可能性が生じます。メージを受ける可能性があります。家庭用電子レンジの多くは産業科学医療用バンド（ISM バンド）の 2.45GHz 前窓も漏洩の主な原因となります。窓は調理の進み具合を確後で動作しますが、この周波数帯は規制の対象外となって認するために必要となる部品ですから、可視スペクトルはおり Wi-Fi や Bluetooth などの短距離無線通信に広く利用透過し、マイクロ波スペクトルは不透過とするように注意されているため、電子レンジから漏洩した電磁波はネットして設計する必要があります。ドアと窓からの漏洩例を図ワーク障害を起こすノイズとなります。 1 に示します。 1 W HITE PAPE R | CST AG 遮蔽問題の特定改善する箇所を決定するには、どこからの漏洩が最大かを知る必要があります。暴露限度は平均値ではなく最大値に基づく数値であるため、有効性が確認された遮蔽を下敷き 2014 される通り）ゼロに近いですが、正面にはホットスポットが見られます。ホットスポットは限界値の 5 mW / cm2（50 W / m2）に達しており、ドアの検証を集中的に行う必要があることを示しています。にして再設計することで、規制を遵守できない事態を避けられます。シミュレーションには設計のさまざまな特性を分析する機能があります。遠方界モニターを使用すると、エネルギーの漏洩が最大の方向を特定することができます。遠方界分布図は漏洩の生じる部品を示唆します（図 2）。たとえば側面に大きな漏洩が生じている場合は、封止やシームに改善が必要であると考えられます。正面の場合は、ドアに問題があると考えられます。図 3: 電子レンジから 5cm 距離の電力密度分布最後に、実世界のように外界に置いた状態のシミュレーションを行います。人体は複雑な構造をしており、内部でエネルギーの反射や集中が生じ、そのため電磁界から受ける影響を予測することは困難です。人体モデル（均質なファントムモデルまたは不均質な voxel モデル）を含めてシミュレーションを行うことにより SAR の計算が可能となります。SAR は人体に吸収される電力を測るものさしであり、対象となる人体組織に応じて基準が定められています。制限値 5 mW / cm2 に準拠した電子レンジは、通常の使用では 5cm 距離で SAR の問題が生じることはありません。しかし四肢など部分的に非常に接近すると（1mm 以内など）最悪の場合、SAR の閾値を超える可能性があります[5]。 CST MW STUDIO には SAR 計算に関連したツールボックスがあって、ポイント値や容積平均、あるいは器官の平均などの計算が行えます。人体モデルの位置やポーズを変えてさまざまなシナリオで計算を行い、通常の使用では SAR の基準値を超えないことを確認できます。さらに CST 図 2: 電子レンジの遠方界：ドアの遮蔽網の網目を変えてシミュ MPHYSICS STUDIO を使用して生体熱を考慮した人体のレーションを行った結果：直径 1mm（上）、直径 6mm（下）。網熱シミュレーションを行うことができます。目が大きい方が放射が大きい。遮蔽機構漏洩の主因が特定できたら、近傍界分布と電力密度分布によって漏洩機構を正確に捉えることができます。電力密度漏洩源が特定されたら、設計を変更して遮蔽を改善します。モニターは電子レンジ表面から 5cm 距離にある直方体を以下では 2 つの遮蔽機構（ドアフィン、遮蔽網）についてカバーするように定義します。この方法によって法定の試シミュレーションを行い、再設計によって遮蔽を改善する験を模擬し、問題となる電力密度が発生しそうなホットス例を示します。ポットを明らかにします。モニターの結果図を見ると（図 3）レンジ背面の電力密度は（金属ソリッドの空洞で予想 2 W HITE PAPE R | CST AG 2014 ドアフィン金属材質であるドアと筐体の間を完全に密着させるのはフィン形状の寸法をパラメータで表し掃引します（パラメ難しいため、ドアの周囲にフィンを配置して 1/4 波長のチータスイープ）。ここではドアと本体の間の隙間、間隔、ョーク構造を形成します（図 5）。電磁波に共振するフィ寸法をパラメータ化します（図 6）。これら 4 つのパラメンが短絡回路のように働いてマイクロ波の漏洩を防止しータを媒介変数としてパラメータスイープを行い、フィンます。設計に注意して、この遮蔽機構を最適化する必要が形状による特性の違いを観測します。あります。図 6: フィンの形状パラメータ図 4: 均質な人体モデルを使用したシミュレーションパラメータスイープの結果を図 7 に示します。フィンの特性は寸法によって左右され、場合によっては共振周波数が ISM バンドの外に移動します。共振周波数が ISM バンド内に入っている結果をカラーで示します。この場合に使用されたパラメータ値（のセット）が、設計に使用可能な候補となります。候補は複数あり、いくらかは設計の融通が利くことが分かります。図 5: 電子レンジのドアフィン（拡大図）遮蔽機構の最適化の一環として、3 次元フルウェーブシミュレーションによるフィンの最適化を行います。熱空洞全体を解析する必要は無いのでフィン部分のみを独立させてシミュレーションモデルとします。モデル構造の両側にポートを定義します。ポート機能はその位置における電力データを保存します。これにより 2 ポート間の伝送が S パラメータとして算出されます。S パラメータ S21 の値が小さいほど遮蔽性が高いことを表します。周期的境界条件を図 7: パラメータスイープの結果適用すると、シミュレーションの複雑さを下げることができます。 3 W HITE PAPE R | CST AG 2014 最適化は遮蔽問題に適しています。同様にパラメトリック結果を図 8 に示します。フィンを最適化した結果、2.4∼ な手法であるパラメータスイープはパラメータ空間全体 2.5GHz の ISM バンドにおける伝送は少なくとも 55dB とを均等に探索します。これに対し最適化は目的の最適値になり、最大は 80dB に達します。このフィンをフルモデル向かって効率良い探索を行います。最適化機能（オプティに実装した場合、5cm 距離の電力密度は元のモデルに比べマイザ）にはローカルとグローバルの二種類があります。 6%減少すると予測されます。ローカルオプティマイザはパラメータ空間に定義された初期値の周辺領域を探索します。グローバルオプティマイ窓の遮蔽網ザは空間内に散乱した値から最適値へと収束します。ドアの窓に金属製の遮蔽網を取り付けて電磁波漏洩を防目標とする最適値は最適化のゴールとして定義します。要求定義に応じてゴールは最大値や最小値、またはターゲットに最も近い結果となるパラメータ値（のセット）を定義止します。この網は放射を遮断する一方で可視光を透過する必要があり、一種の高周波通過の周波数選択性サーフェス（FSS）であるといえます。し、単一点または範囲の設定が可能です。この例では、周遮蔽網は網穴の直径をマイクロ波の波長よりも小さくす波数 2.45GHz（電子レンジの動作周波数の中央）におけるることにより効果を発揮します。マイクロ波周波数帯にお S21 の最小化をゴールとします。いて目的の周波数において網は表皮深さよりも厚くなり、上記パラメータスイープを参照し、カラーで示された結果がどれも最適値の近傍にあって各々のパラメータ値が近いことからローカルオプティマイザを選択します。このよソリッドな金属シートを近似してシールドの役割を果たします。上記より波長がはるかに短い光学周波数帯では、穴は何も妨げずに波を透過します。うに、最適化ではパラメータスイープ（この場合は run172）上記のように、遮蔽網の設計では穴の大きさを適切に定義の結果を利用して初期値を定義することにより、設計の微し配置する必要があります。小さい穴は遮蔽性が高い反面、調整が可能となります。微細な網加工を要するため製造難易度が上昇し、また可視この例では最適化の手法として Trust Region Framework アルゴリズムを用いました。このローカルオプティマイザはさまざまな問題に幅広く使用でき、また感度解析の情報性が低下します。さまざまな仕様によるシミュレーションは、安全性、可視性、製造難易度のバランスの取れた設計を実現するのに役立ちます。（パラメータに対する S パラメータの導関数）を使用して網構造は、単一穴モデルに周期境界条件を設定してモデル所要時間を短縮できるのが特長です。化することができます。また、穴の大きさや深さをパラメ適切な初期値が分からない場合やパラメータ空間が複雑な問題には CMA-ES（Covariance Matrix Adaption Evolutionary Startegy）が適します。CMA-ES は Trust Region Framework のータ化し、パラメータスイープを実行することもできます。穴の大きさをスイープした結果からは（図 9）、穴を小さくすると伝送が急減する様子が観測されます。ようなローカルオプティマイザと対照的に、結果が初期値修正した設計の有効性も同じ要領で調べることができまに依存する割合が低いグローバルオプティマイザです。ます。ユニットセルをずらして定義することで、穴の配置をた、非常に用途の広いアルゴリズムです。変えた設計が表現できます。あるいは素子を修正し、たとえば図 10 のように穴に大小を付けて、その影響を見ることができます。ドアフィンの場合と同様に、再設計した網構造をフルモデルに実装してシミュレーションを行います。予想通り、穴が小さい方が最大電力密度は小さくなります。穴の半径 2.4mm では、電子レンジの正面 5cm 距離の最大電力密度が 4.7 mW/cm2 であったのに対し、半径 1mm では最大電力密度は 1.9 mW/cm2 という結果が得られました。図 10 に示す半径 2.4mm と 1mm の二種類の穴を交互に並図 8: 最適化したドアフィンによる S パラメータべたハイブリッド網構造では特性がやや低下し、 5.6mW/cm2 となりました。 4 W HITE PAPE R | CST AG 2014 図 10: 可視性を高めた網構造。まとめ電子レンジの遮蔽機構の設計に電磁界シミュレーションが役立つことを、具体的な解析例を挙げて説明しました。電子レンジの設計では、漏洩電波に関する規制を遵守する製品設計が必要不可欠です。電磁界シミュレーションは遮蔽機構の開発に役立ちます。遮蔽効果を可視化し、設計による効果の差異を明らかにします。パラメータスイープと図 9: （上）網構造の一部。ユニットセル単体を強調表示。（下）遮蔽特性 vs. 穴の半径（mm）。半径 1mm における遮蔽と伝送の特性値を表示。最適化機能は、条件に最も適した寸法を算出し、バランスの取れた設計検討に必要な詳細情報を提示します。 5 W HITE PAPE R | CST AG 2014 [1] IEC 60335-2-25, “Household and similar electrical appliances. Safety - Part 2–25: Particular requirements for microwave ovens, including combination microwave ovens”. [2] 21CFR1030.10 “Performance standards for microwave and radio frequency emitting devices –Microwave ovens”, U.S. Food and Drug Administration. http://www.accessdata.fda.gov/scripts/cdrh/cfdocs/cfcfr/CFRSearc h.cfm?FR=1030.10 [3] “Ordinance Concerning Technical Requirements for Electrical Appliances and Materials (Electrical Appliance and Material Safety Law)”, Section 95, Ministry of Economy, Trade and Industry (Japan). [4] “Radiation Emitting Devices Regulations (C.R.C., c. 1370)”, Schedule II, part III, Department of Justice (Canada). http://lawslois.justice.gc.ca/eng/regulations/C.R.C.,_c._1370/page-4.html [5] “Microwave ovens”, EMF Fact Sheet, Federal Office of Public Health (Switzerland). http://www.bag.admin.ch/themen/strahlung/00053/00673/0375 2/index.html?lang=en. 執筆 Marc Rütschlin, CST AG CST AG Bad Nauheimer Str.19 64289 Darmstadt Germany CST AG www.cst.com 禁無断転載株式会社エーイーティー〒215-0033 神奈川県川崎市麻生区栗木 2-7-6 TEL (044) 980 – 0505 （代) 不許複製 ©2014 AET,Inc