JP4949200B2 - 熱区分け筺体及びそれを用いた光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、熱区分け筺体、及び、それを用いた光モジュールに関し、より詳細には、筺体内部が熱的に分割された熱区分け筺体、及び、それを用いた光モジュールに関する。

高密度波長多重通信（DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing）のキーデバイスとして、プレーナ光波回路（PLC： Planar Lightwave Circuit）技術により作製された光機能回路とそれを制御する光機能回路用制御回路とを内蔵した高機能光モジュールの研究開発がなされている。現在、この技術を用いて、光可変減衰器（VOA： Variable Optical Attenuator）とアレイ導波路回折格子（AWG： Arrayed Waveguide Grating）を備えた可変光減衰器付きAWG（V-AWG）などの光モジュールが実用化されている。このV-AWGには、VOAとAWGの他に、光タップ回路、光強度モニタ用フォトダイオード、及びこれら光部品を制御する電子制御ボードが1つの筺体に高密度に納められている（非特許文献１）。

図１に、従来の光モジュール用の筺体の斜視図を示す。また、図２に、従来の光モジュール用の筺体の断面図を示す。筺体は、熱伝導率の高い２つの上部筺体１と下部筺体２とからなる。上部筺体１と下部筺体２は直接接続されており、熱的に結合されている。上部筺体１には電子制御ボード７が取り付けられており、上部筺体１と電子制御ボード７は熱的に結合されている。下部筺体２には、PLCモジュール４とモニタPDを含む光電変換部５と中継配線基板１１が熱伝導率の高いマウント３を介して取り付けられており、下部筺体２とPLCモジュール４は熱的に結合されている。光電変換部５と電子制御ボード７および中継配線基板１１と電子制御ボード７は、フラットフレキシブルケーブル（FFC）で電気的に接続され、ＰＬＣモジュール４と中継配線基板１１は金ワイヤボンド１２で電気的に接続されている。また、PLCモジュール４には光ファイバ８が接続されている。

電子制御ボード７で生じた熱は、主に上部筺体１を介して外部に放出される。同様に、PLCモジュール４で発生した熱は、主にマウント３、下部筺体２を介して外部に放出される。

A. Kaneko et. al., "Ultra small 16 ch variable optical attenuator multiplexer (V-AWG) using multi-chip PLC integration technology for ROADM," Proc. of ECOC 2005, 2005.

しかしながら、従来の光モジュール用の筺体では、上部筺体１と下部筺体２は直接接続されており、筺体が熱的に均質な構造をとっていたため、上部筺体１と下部筺体２のどちらか温度の高い側の熱が、温度の低い側に伝播していた。その結果、発熱の位置がPLCモジュールと電子制御ボードのいずれであるかにはあまり強く依存せずに、モジュール全体の温度がほぼ均一に上昇していた。そのため、筺体内部の発熱量が、光モジュールに内蔵される構成回路のうち、最も高温耐性が低い構成回路の温度上昇許容値によって制限されるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、内蔵する構成回路のうち、高温耐性が低い構成回路の温度上昇を低く抑え、内部発熱量の許容値を拡大した熱区分け筺体、及び、それを用いた光モジュールを提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、発熱を伴う複数の構成回路素子を内蔵する熱区分け筺体であって、少なくとも２つの構成部と、前記構成部間を熱的に分離する断熱部を備え、複数の前記構成回路素子が、少なくとも２つの前記構成部にそれぞれ実装され、かつ、前記各構成部の熱伝導率が、前記断熱部の熱伝導率より高いことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱区分け筺体であって、複数の前記構成部の個数をＮとし、ｉ番目（ｉ＝１、・・・、Ｎ）の前記構成部の外気に対する熱抵抗をＲｉとし、ｉ番目（ｉ＝１、・・・、Ｎ）の前記構成部の実装される前記構成回路素子の発熱量と耐熱温度をそれぞれＰｉ、Ｔｉとし、Ｃを定数とした時に、式（Ａ）が成立することを特徴とする。
（式Ａ） Ｔｉ−（Ｒｉ×Ｐｉ）≒Ｃ （ｉ＝１、・・・、Ｎ）。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の熱区分け筺体であって、前記断熱部が、発泡材及び樹脂材の何れかであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の熱区分け筺体であって、前記構成回路素子間を隔てるように設けられた熱を遮断する熱遮断プレートを内部に備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の熱区分け筺体であって、前記熱遮断プレートが、赤外線を反射するヒートミラー、熱遮蔽板及び低放射率板の何れかであることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の熱区分け筐体を備えた光モジュールであって、前記構成回路素子が、平面光波回路型光回路、ないし、平面光波回路型光回路用駆動回路であることを特徴とする。

本発明によれば、内蔵する構成回路のうち、高温耐性が低い構成回路の温度上昇を低く抑え、内部発熱量の許容値を拡大した熱区分け筺体、及び、それを用いた光モジュールを実現することが可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図３に、本発明の第１の実施形態に係る光モジュール用筺体の斜視図を示す。また、図４に、本発明の第１の実施形態に係る光モジュール用筺体の断面図を示す。筺体は、熱伝導率の高い２つの上部筺体１、下部筺体２と、それらよりも熱伝導率の低い断熱材９とからなる。上部筺体１と下部筺体２は断熱材９を介して結合され、上部筺体１と下部筺体２が熱的に分離されながら１つの筺体を構成する。

上部筺体１には電子制御ボード７が取り付けられており、上部筺体１と電子制御ボード７は熱的に結合されている。下部筺体２には、PLCモジュール４とモニタPDを含む光電変換部５と中継配線基板１１が熱伝導率の高いマウント３を介して取り付けられており、下部筺体２とPLCモジュール４は熱的に結合されている。光電変換部５と電子制御ボード７および中継配線基板１１と電子制御ボード７は、フラットフレキシブルケーブル（FFC）で電気的に接続され、ＰＬＣモジュール４と中継配線基板１１は金ワイヤボンド１２で電気的に接続されている。また、PLCモジュール４には光ファイバ８が接続されている。

電子制御ボード７とPLCモジュール４の耐熱温度は、それぞれ９０℃と７０℃であり、電子制御ボード７とPLCモジュール４の発熱量は、それぞれ１０Ｗ、５Ｗである。また、上部筐体１と下部筐体２をなす材料の熱伝導率は、ともに３００Ｗ／（ｍ・℃）であり、断熱材９をなす材料の熱伝導率は０．１Ｗ／（ｍ・℃）である。上部筐体１と下部筐体２の表面積は同一であり、外気への熱抵抗はともに約２℃／Ｗである。

電子制御ボード７で生じた熱は、上部筺体１の熱伝導率が高いため、上部筺体１全体に拡散して外部に放出される。同様に、PLCモジュール４で発生した熱は、マウント３を介して下部筺体２へ伝わり、下部筺体２の熱伝導率が高いため、下部筺体２全体に拡散して外部に放出される。上部筺体１と下部筺体２との間に断熱材９があり、断熱材９の熱伝導率は上部筺体１と下部筺体２の熱伝導率の１／３０００であるため、上部筺体１と下部筺体２との間の熱の伝播は十分に小さく抑制される。

外気温度が６０℃の環境下で本モジュールを動作させたところ、電子制御ボード７の温度は約８０℃、ＰＬＣモジュール４の温度は約７０℃であり、電子制御ボード７とＰＬＣモジュール４の温度を耐熱温度以下に抑えることが出来た。また、比較のために、断熱材９を、寸法と形状が同一で熱伝導率が３００Ｗ／（ｍ・℃）の部材に置き換えて、外気温度が６０℃の環境下で本モジュールを動作させたところ、電子制御ボード７とＰＬＣモジュールの温度はともに約７５℃であった。上部筐体１と下部筐体２が熱的に結合されたことによって、発熱量が大きい電子制御ボード７で発生した熱が下部筐体２にも伝わって、ＰＬＣモジュール４の温度を耐熱温度以上に上昇させた。この場合、ＰＬＣモジュール４の温度を耐熱温度である７０℃以下に抑えるために、使用環境温度の上限値を５５℃以下に設定するか、内部発熱量を１０Ｗ以下に抑える必要がある。

本実施形態のように、電子制御ボード７と比較して、PLCモジュール４の発熱量が低く、かつ、高温耐性が低い場合、上部筺体１と下部筺体２との間に断熱材９を設けたことにより、電子制御ボード７で発生した熱が上部筺体１、下部筺体２を介して耐熱温度の低いPLCモジュール４に伝播するのを防ぐことができる。

同様に、電子制御ボード７と比較して、PLCモジュール４の発熱量が高く、かつ、高温耐性が高い場合でも、上部筺体１と下部筺体２とが断熱材９によって熱的に分離されていることにより、PLCモジュール４で発生した熱が上部筺体１、下部筺体２を介して耐熱温度の低い電子制御ボード７に伝播するのを防ぐことができる。

このように、電子制御ボード７とPLCモジュール４との間で発熱量と高温耐性に差がある場合に、高温耐性の高い側の発熱量を高温耐性の低い側にあわせて制限する必要がなくなるので、高温耐性の高い側の発熱量を高く設定でき、内部発熱量全体の許容量を大きくすることができる。言い換えると、使用環境温度を高温耐性の低い側にあわせて制限する必要がなくなるので、使用環境温度の上限値を高く設定することができる。

断熱材９としては発泡材、樹脂材、オーリングなどがあるが、その熱伝導率が上部筺体１、下部筺体２の熱伝導率より低い部材であればよく、望ましくは上部筺体１、下部筺体２の熱伝導率の１／１０よりも小さい部材とする。

（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態に係る光モジュール用筺体の断面図を示す。本実施形態は、第１の実施形態に対して、上部筐体１と下部筐体２の表面積が第１の実施形態の場合のそれぞれ約０．７２倍、１．２８倍に設定され、上部筐体１と下部筐体２の表面積の比率が１：１．７８であり、外気への熱抵抗がそれぞれ約２．７８℃／Ｗと約１．５６℃／Ｗに設定されている点が異なる。それ以外は、第１の実施形態と同じである。

本実施形態において、本モジュールを動作させた状態で、電子制御ボード７とＰＬＣモジュール４の温度をモニタしながら外気温度を上昇させたところ、外気温度が６２．２℃の時に、電子制御ボード７とＰＬＣモジュール４の温度がそれぞれの耐熱温度である９０℃、７０℃になった。第１の実施形態では、外気温度が６０℃の状態でＰＬＣモジュール４の温度が耐熱温度である７０℃に達したのに対して、本実施例では、上部筐体１と下部筐体２の表面積を、電子制御ボード７とＰＬＣモジュール４の耐熱温度と発熱量と外気に対する熱抵抗に基づいて算出される最適な値に設定したことによって、さらに使用環境温度の上限値を２．２℃大きくすることが出来た。

ここで、使用環境温度の上限値を最大化する最適な表面積比の算出方法を詳細に説明する。使用環境温度をＴ０とし、上部筐体１と下部筐体２の外気に対する単位面積当たりの熱抵抗をそれぞれＫ１、Ｋ２とし、上部筐体１と下部筐体２の表面積をＳ１、Ｓ２とし、電子制御ボード７の発熱量と耐熱温度をそれぞれＰ１、Ｔ１とし、ＰＬＣモジュール４の発熱量と耐熱温度をそれぞれＰ２、Ｔ２とすると、式（１）と式（２）が成立する。

（式１） （Ｔ１−Ｔ０）＝Ｋ１／Ｓ１×Ｐ１
（式２） （Ｔ２−Ｔ０）＝Ｋ２／Ｓ２×Ｐ２
式１と式２から求められるＴ０が等しくなる時、即ち、式３が成立する時のＳ１とＳ２の比率が、使用環境温度の上限値を最大化する最適な表面積比となる。

（式３） Ｔ０＝Ｔ１−（Ｋ１／Ｓ１×Ｐ１）＝Ｔ２−（Ｋ２／Ｓ２×Ｐ２）
このように、上部筐体１と下部筐体２との間で単位面積当たりの熱抵抗に差があったり、電子制御ボード７とPLCモジュール４の発熱量と高温耐性に差がある場合でも、上部筐体１と下部筐体２の表面積比を調整して、電子制御ボード７とPLCモジュール４の温度上昇量を調整することができ、それを最適な値に設定することで、使用環境温度の上限値を第１の実施形態よりもさらに高く設定することができる。

（第３の実施形態）
図６に、本発明の第３の実施形態に係る光モジュール用筺体の断面図を示す。本実施形態は、第１の実施形態に対して、上部筺体１及び電子制御ボード７と下部筺体及びPLCモジュール４とを熱的に分離する効果をさらに高めるために、筺体内部にプレート１０を設けた点が異なる。このプレート１０は、赤外線を反射するヒートミラー、熱遮蔽板、放射率の低い板などの熱を遮断するできるものであればよい。これにより、筺体による熱の伝播に加えて、熱放射や空気の熱伝導を介した熱の伝播を抑制することができる。

尚、第１〜３の実施形態では、断熱材９が完全に上部筺体１と下部筺体２とを分離するように配置されているが、上部筺体１と下部筺体２を一部で断熱材９を介さずに直接接続する箇所があってもよい。

また、本実施形態では筺体を２つに分離したが、分離する数は２つ以上であればよく、同様の原理で筺体を３つ以上に分離し、熱的に分離された領域を筺体内に３つ以上設けることも可能である。

従来の光モジュール用の筺体の斜視図である。 従来の光モジュール用の筺体の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光モジュール用筺体の斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る光モジュール用筺体の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光モジュール用筺体の斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る光モジュール用筺体の断面図である。

符号の説明

１ 上部筺体
２ 下部筺体
３ マウント
４ PLCモジュール
５ 光電変換部
６ FFC
７ 電子制御ボード
８ 光ファイバ
９ 断熱材
１０ プレート
１１ 中継配線基板
１２ 金ワイヤボンド

Claims (1)

1. 発熱を伴う複数の構成回路素子を内蔵する熱区分け筺体であって、
   少なくとも２つの構成部と、
   前記構成部の縁に配置され、前記構成部間を熱的に分離する断熱部と、
   赤外線を反射するヒートミラーとを備え、
   前記構成部と前記断熱部とによって１つの密閉型の筐体を構成し、複数の前記構成回路素子が、少なくとも２つの前記構成部にそれぞれ実装され、前記ヒートミラーが、前記構成回路素子間を前記構成部毎に隔てるように設けられ、前記各構成部の熱伝導率が、前記断熱部の熱伝導率より高く、前記筐体が使用される環境温度をＴ０、前記各構成部ｉの外気に対する単位面積当たりの熱抵抗をＫｉ、前記各構成部ｉの表面積をＳｉ、前記各構成部ｉに実装された前記構成回路素子の発熱量と耐熱温度をそれぞれＰｉ、Ｔｉとした時に、全ての前記構成部について式（Ａ）が成立することを特徴とする熱区分け筺体。
   （式Ａ） Ｔ０＝Ｔｉ−（Ｋｉ／Ｓｉ×Ｐｉ）

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