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解析事例・インタビュー

パナソニック株式会社 様
業界最小となるBD用光ディスクドライブの開発に熱流体解析を活用 燃料電池システムなどのエネルギー分野へ適用を広げる

R&D本部 エネルギーソリューションセンターエネルギーシステム開発室 ​中田秀輝 氏

[前半] DVDやBlu-ray Discといった光ディスクドライブは、性能だけではなく小型化や低価格化の競争が激しい製品だ。厳しい使用環境の中でも、ドライブ内部の温度が限界を超えない放熱設計になるよう、開発プロセスに熱流体解析ツールを活用してきたという。


​ パナソニックは、AV機器などの家電製品に加えて産業機器、通信機器、住宅設備、環境関連機器など電気機器を中心に多角的な事業を展開している総合エレクトロニクスメーカーであり、2018年度には創業100周年を迎える。
 














​​図1 光ディスクドライブの進化
パナソニックではCDの時代から光ディスクドライブを内製してきた
(クリックで拡大)




​図2 光ピックアップの構造
読み出し・書き込み用の半導体レーザー、ディスクを走査する
対物レンズとアクチュエータ、光検出器などからなる​​
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 2005年当時、パナソニック R&D本部 BD事業開発タスクフォースに所属していた中田秀輝氏は、光ディスクドライブの開発にCDの時代から携わってきた(図1)。光ディスクドライブの基幹部品であり、情報の記録再生に用いる光ピックアップ(図2)の開発部門に在籍して、Mini Disc(MD)、DVD、Blu-ray Disc(BD)の研究開発業務を担当。常に業界をリードしてきた光ピックアップの開発で、大きな課題となる高出力半導体レーザの放熱課題についても、開発のスタート段階よりその伝熱および輻射を考慮した放熱設計に熱流体解析ツールを駆使して取り組んできた。BDの超薄型ドライブ(ウルトラスリム)の開発では、プロジェクトリーダーとして研究段階から設計、工場立ち上げまで全面的に統括し、その後は業務用大容量アーカイバの開発にも取り組んだ。一昨年からは燃料電池の研究開発業務を担当。燃料から水素を取り出し、空気中の酸素と化学反応させることで電気を生み出す燃料電池システムの発電機部分の設計および熱流体解析に取り組んでいる。

図3 STREAM®にて放熱構成を決定
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樹脂化で悪化した放熱性能を解析により対策

光ディスクドライブの開発において構造格子の熱流体解析ツール「STREAM®」を導入したのは2005年のMDの開発時だ。MDは波長800nmの高出力半導体レーザー(LD:laser diode)を搭載し、小型光学系を介してディスク表面に直径1μm程度の光スポットを形成して、ディスクの表面への信号の書き込みや、記録した信号の読み取りを行う。「光ディスクドライブは、コスト、サイズ、性能、信頼性を限界でバランスさせる必要がある」と中田氏は言う。ポータブルMDは特にコストとサイズの競争が激しく、光学素子を搭載するベースをアルミダイキャストから樹脂化した場合、従来のままの伝熱構成ではLD温度が高くなりすぎ、短時間で故障につながるため、光ディスクの回転による対流を効果的に用いて光ピックアップを冷却する放熱設計を考案したのだという。(図3)

試作回数の低減要求が高まる

 当時の開発プロセスは、設計し試作品を作ってからLD等の温度を測定し、対策を検討、再度試作して検証するというサイクルを回しており、1サイクルに約3 ヶ月を要していた。個々の部品性能や全体の組み立てばらつきを含めたLD寿命を保証するための伝熱設計が完了するまでに1 ~ 2年かかることも珍しくなかった。商品開発の大幅な短縮が要求される中、品質を保証しながら迅速に製品を開発するためには、 開発のスタート段階から、伝熱および輻射の詳細なモデル化による放熱設計の必要性が高まった。場合によっては数時間で設計方針を決定する必要も発生し、設計者が自ら使え、短時間で高精度な結果が出るツールを探していたという。


高精度な温度予測モデルを構築

 そこで放熱設計のためのソフトウェアを検討した結果、STREAM®を導入することに決定した。STREAM®を選んだのは、「市販されている流体解析ソフトウェアの中で比較的解析機能が豊富なことに加えて、なによりもインタフェースが使いやすいことが大きかった」(中田氏)という。さらに3DCADデータを加工せずそのままSTREAM®内に読み込んで解析モデル化し、メッシュも容易に切ることができた。また実験で求めた部品間の接触熱抵抗の設定やディスクの回転による風の影響も扱いやすいという理由でSTREAM®を選択した。

 構築した伝熱解析のモデルによって、設計の初期段階でLDの温度を5℃以下の誤差で予測できるようになった。最初の試作、実験により、各部品間の熱抵抗を詳細に把握することで、解析の誤差を±1℃以内にまで収め、2回目の実験時には実際の温度を確認するだけで伝熱設計をほぼ完了できるようになった。この開発フローにより伝熱設計を約半年にまで短縮したとともに、様々な条件における温度を高精度で事前に把握できるようになった。この際に構築した解析手法は、その後DVD、BDの小型化への開発に活かされることとなる。​

※SCRYU/Tetra、およびSTREAMは、日本における株式会社ソフトウェアクレイドルの登録商標です。
※その他、本パンフレットに記載されている会社名、製品・サービス名は、各社の商標または登録商標です。
※本パンフレットに掲載されている製品の内容・仕様は2014年4月現在のもので、予告なしに変更する場合があります。また、誤植または図、写真の誤りについて弊社は一切の責任を負いません。

 

プロフィール






 

パナソニック株式会社
設立 1935年12月15日
事業内容 部品から家庭用電子機器、電化製品、FA機器、情報通信機器、および住宅関連機器等に至るまでの生産、販売、サービスを行う総合エレクトロニクスメーカー
代表者 代表取締役 津賀 一宏
本社所在地 大阪府門真市
資本金 2,587億円(2014年3月31日現在)

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