JP2010504015A - 光源の冷却を行う照明アセンブリ及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、光源１０１の冷却を行う照明アセンブリ１００であって、光源１０１により生成された熱を消散するための相変化物質を有するヒートシンク１０２と、ヒートシンク１０２のアクティブ冷却手段１０６と、光源がオフにされたときにアクティブ冷却手段を起動させる手段１０５とを有する照明アセンブリ１００に関する。本発明による照明アセンブリは、光源が連続して何回もオンにされるときに、２つのオン期間の間の必要なオフ期間を最小限にする。同時に、本発明は、光源のオン期間において光源の静かで振動のない冷却を行い、その後、光源がオフにされたときに、相変化物質を含むヒートシンクにより受け取った熱の消散を促進する。また、本発明は、照明アセンブリの光源の冷却を行う対応する方法にも関する。

Description

本発明は、概して、光源を冷却するための照明アセンブリ及び方法に関し、より詳細には、ビデオカメラに設けられた光源を冷却するための改良された照明アセンブリ及び方法に関する。

例えば、ハロゲン光源又は高出力発光ダイオード（ＬＥＤ）のような高輝度の光源を有するシステムにおいては、一般的に、規定した動作温度範囲を維持するために、光源により放出された熱を消散するためのアレンジメントの必要性がある。特に、ＬＥＤに関して、これは、持続される高い動作温度がＬＥＤの寿命及び光学的性能に対して不都合な効果を持つことから、非常に重要である。高動作温度は、ルーメンの低下を更に大きく加速させるだろう。

ＬＥＤデバイスが有利であるべき一例となるアプリケーションは、場合によってはポータブル携帯電話機に設けられる、画像及びサウンドを記録するためのビデオカメラにおけるものである。ＬＥＤは、この場合において、低照明レベルで記録するときに、シーンに光を当てるための補助として動作するだろう。斯様な場合において、ＬＥＤの温度が規定動作温度範囲外になった場合にＬＥＤのスペクトル分布が変化するので、ＬＥＤデバイスを特定の動作温度範囲内に維持することが更に必要となる。スペクトル分布のシフトは、記録のホワイトバランスに影響を与えるだろう。

この問題に対する一般的な解決策は、ＬＥＤの近くにファンのようなアクティブ冷却デバイスを設けて、光源により放出された熱の消散を補助することだろう。しかしながら、この解決策は、ファンがノイズ及び振動の双方を生成するという欠点がある。振動は、画像の安定性に影響を与えるだろうし、ノイズは、記録されるサウンドを歪ませるだろう。

米国特許出願公開第２００５／０２７６０５３号明細書は、ビデオカメラに設けられた照明システムによりこの問題に対する解決策を提案している。照明システムは、制御された照明コンディションを生成するための複数のＬＥＤと、ＬＥＤをサポートするためのプラットフォームと、ＬＥＤにより生成された熱を蓄積するための相変化物質（phase change material；ＰＣＭ）を含み得る温度ファシリティ、例えば、ヒートシンク（heat sink）とを含んでいる。

相変化物質の態様によるパッシブ冷却は、例えば小型及び軽量のポータブル電子デバイスにおける特定のアプリケーションとともにこの分野において良く知られている。相変化物質は、大量のエネルギを蓄積又は解放し得る材料組成である。初めに、固体／液体ＰＣＭ（solid-liquid PCM）は、水等の従来の蓄積材のように機能し、これらの温度は、消散熱を吸収するにつれて上昇する。しかしながら、従来の蓄積物質とは異なり、ＰＣＭは、相を変える温度（これらの融点）に達するときに、より熱くなることなく大量の熱を吸収する。ＰＣＭ材料の周りの空間中の周辺温度が低下するときに、ＰＣＭは、凝固し、蓄積された潜熱を開放する。ＰＣＭは、それ故、ほぼ一定の温度を維持しながら熱を吸収して放出する。

しかしながら、ヒートシンク中の全ての相変化物質が上記で開示した照明システムにおいて融解された場合には、ヒートシンクの温度は、定常温度に達するまで増加し続ける。この定常状態に達する時間及び定常状態温度の値は、ヒートシンクの冷却表面及び顕熱により決定される。照明システム中のＬＥＤがオフにされた後、ヒートシンクはクールダウンするだろう。ヒートシンクの温度は、ＰＣＭの凝固温度（融解温度と同等）まで減少し、そこでは、ヒートシンクの更なる冷却が、ＰＣＭの温度の安定化に起因して大幅に遅くなる。これは、照明システムにおけるＬＥＤが連続して何回もオンにされるときに問題を生じさせる。２つのスイッチオン期間の間におけるオフ期間が非常に短いとき、スイッチオンの期間での開始温度は既に高すぎることになり、これは、第２のスイッチオンの期間、従って、ＬＥＤの特定の動作温度の範囲内に留まることを著しく制限する。一の自明な解決策は、より多くの相変化物質を含めて、アプリケーションの軽量及びコンパクトさを維持することであるが、これは、実現可能な解決策ではない。

従って、従来の欠点の少なくとも一部を大幅に克服する、より詳細には、ビデオカメラにおける光源の冷却での問題を克服又は少なくとも緩和する、光源を冷却するための改良された照明アセンブリ及び方法の必要性がある。

上記目的は、請求項１及び請求項８にそれぞれ規定されるような、光源を冷却するための改良された照明アセンブリ及び方法により達成される。従属項は、本発明による有利な実施形態を規定する。

本発明の一態様によれば、光源の冷却を行う照明アセンブリであって、光源により生成された熱を消散するための相変化物質を有するヒートシンクと、ヒートシンクのアクティブ冷却手段と、光源がオフにされたときにアクティブ冷却手段を起動させる手段とを含む照明アセンブリが提供される。

上述のように、光源が連続して何回もオンにされるアセンブリにおいて、光源の動作の２つの期間（即ち、"オン"期間）の間におけるオフ期間は、ヒートシンクに設けられたＰＣＭを、光源の第２のオン期間の適切な長さを可能にするのに十分な程度にクールダウンさせる程度に長くなければならない。本発明によるアセンブリでは、光源がオフにされたときに（即ち、"オフ"期間）アクティブ冷却手段がＰＣＭを含むヒートシンクにより受け取った熱の消散を促進するので、オフ期間が短くされ得る。同時に、光源がオンにされて、アクティブ冷却手段が非アクティブにされた期間においては、ＰＣＭの手段により、光源の静かで振動のない冷却が行われる。更に、上記アセンブリは、ヒートシンクに設けられる必要がある相変化物質の量を最小限にすることを可能にし、これにより、アセンブリをよりコンパクトにし、これは、小さなハンドヘルドデバイスに対して好ましい。

好ましくは、ヒートシンクの温度は、例えば、ヒートシンクの付近に設けられた温度センサを用いて測定される。温度は、第１の予め規定された閾値と比較され、起動させる手段は、温度が第１の予め規定された閾値を超える場合にアクティブ冷却手段を起動させるだろう。当業者により理解されるように、光源がオンにされた後に続いてアクティブ冷却手段をアクティブにすることは必ずしも必要ではないだろう。これは、オン期間後のヒートシンクの温度、ヒートシンクのサイズ、ヒートシンクに設けられたＰＣＭの量、推定されたその後のオン期間、周囲温度等に依存する。

好ましい実施形態において、ヒートシンクがチャンネルのアレイを有し、相変化物質がチャンネルの周りに設けられ、アクティブ冷却手段により供給された冷却気流がチャンネルを介して流れている。これは、例えば、容器に相変化物質を設けることにより達成され、容器が貫通孔又は貫通チャンネルを有し、アクティブ冷却手段のアウトフローが容器の貫通孔に接続される。一部の実施においては、ヒートシンクにより受け取った熱の消散を加速させるだけでなく、この場合には冷却エアフローがヒートシンクの外側の周りを流れる必要性は必ずしも必要ではないので、これは有利な解決策になるだろう。

アクティブ冷却手段は、例えば、シンセティックジェットモジュール（synthetic jet module）、電気ファン又は圧電クーラ（piezo-electric cooler）により供され得る。シンセティックジェットは、コンパクトであり非常に効果的であるので、好ましい実施形態である。代表的なシンセティックジェットは、小さな開口部、多くの場合、孔又はスリットに向かい合った小さなチャンバの一方の側にアコースティックアクチュエータ（圧電エレメント）を有する。アコースティックアクチュエータに対して電圧を印加することで振動をもたらし、外気は、開口部を介してチャンバへと急速に引きこまれて、乱れて放出される。

ヒートシンクの温度が第２の予め規定された閾値まで上昇した場合に、アクティブ冷却手段の前記起動をオーバーライドするための機能を含むことも利点があるだろう。これは、例えば、相変化物質を有するヒートシンクが最大動作温度に達するほど、オン期間が非常に長くなる場合にアクティブ冷却手段を起動させることを可能にする。上記で論じたように、最大の規定動作温度を超えることは、光源の寿命を大幅に制限するだろう。

好ましくは、光源は、照明アセンブリに含まれる。

一実施形態において、上述した照明アセンブリは、画像を記録するために適合されたビデオカメラを追加的に有するビデオカメラシステムに設けられる。例えば、消費者向けビデオカメラシステムのようなビデオカメラシステムにおいて、シーンがうまく記録されるには暗すぎるときに、ビデオカメラシステムにより記録されるべきシーンを照射するために光源の必要性がある。理解されるように、光源は、好ましくは、非常に明るくなるべきであり、これは、概して、光源が非常に暖かくなるということをもたらす。ビデオカメラシステムは、更に、コンパクトにならなければならない。上記で論述したようなアレンジメントを用いることにより、光源から消散された熱を受け取るために設けられたヒートシンクが、上述したようなアクティブ及びパッシブ冷却手段の有利な組み合わせに起因して小さくなり得るので、コンパクトなビデオカメラシステムを設計することを可能にする。アクティブ冷却手段は、（概して）光（及びそれ故に記録）がオンであるときにオフにされるので、記録を阻害しないだろう。代わりに、アクティブ冷却は、記録及び光がオフであるときに行う。

本発明の他の態様によれば、光源により生成された熱を消散するための相変化物質を有するヒートシンクと、ヒートシンクのアクティブ冷却手段とを含む照明アセンブリに対する光源の冷却を行う方法であって、光源がオフにされたときに、アクティブ冷却手段を起動させるステップを有する方法が提供される。本発明の第１の態様に関連して上述したように、この方法は、光源のオン期間の間における相変化物質により光源の静かで振動のない冷却を同時に行いながら、光源に対する必要なオフ期間を短縮する。

本発明の更なる特徴及び利点は、特許請求の範囲及び以下の説明を参照するときに明らかになるだろう。当業者は、本発明の異なる特徴が以下に述べられたもの以外の実施形態を作り出すために組み合わせられ得ることを理解する。

本発明のこれらの及び他の態様は、本発明の現在の好ましい実施形態を示す添付の図面を参照して、より詳細に説明されるだろう。

本発明の実施形態による照明アセンブリの一実施形態を示す概略的なブロック図である。 図１に示された照明アセンブリの動作中のヒートシンクの内側に設けられた相変化物質の温度をグラフで示している。 本発明の実施形態による照明アセンブリを有するビデオカメラシステムを概略的に示している。

図面、特に図１を参照すると、９個の発光ダイオード（ＬＥＤ）Ｌ_１〜Ｌ_９からなる照明モジュール１０１と、内側に相変化物質（ＰＣＭ）を持つ密閉シールされたヒートシンク１０２とを有する照明アセンブリ１００を示す概略的なブロック図が表わされている。照明モジュール１０１及びヒートシンク１０２は、照明モジュール１０１、ヒートシンク１０２及び温度センサ１０３を互いに熱的に結合させるプレート１０４上に、温度センサ１０３とともに設けられる。アセンブリ１００は、温度センサ１０３からの信号を受信して照明モジュール１０１を制御する起動手段、示された実施形態においては制御ユニット１０５を更に有する。また、制御ユニット１０５は、矢印Ｃ_１〜Ｃ_３により示された冷却エアフローを出すシンセティックジェットモジュール１０６の形式のアクティブ冷却デバイスを制御する。シンセティックジェットモジュール１０６により出された冷却エアフローは、ヒートシンク１０２の３つの対応する入口Ｉ_１〜Ｉ_３により受け取られる。密閉シールされたヒートシンク１０２の内側に設けられるとともに相変化物質により取り囲まれたチャンネルは、入口Ｉ_１〜Ｉ_３とヒートシンク１０２の上部に設けられた出口Ｏ_１〜Ｏ_９とを接続する。一実施形態においては、密閉シールされたヒートシンク１０２が櫛状に設けられ、出口Ｏ_１〜Ｏ_９が櫛の歯の間の空間に設けられる。概して、ヒートシンクは、例えばアルミニウムのような高熱伝導性を持つ物質で構成され、光源との熱的な接続を持つように設けられる。

照明モジュール１０１は、いかなる数のＬＥＤも含み得る。照明モジュール１０１は、また若しくは代わりに、例えば、ＯＬＥＤ、ＰＬＥＤ（固体）レーザ又はこれらの組み合わせのような他のタイプの光源を有し得る。同様に、例えば、パラフィンベースのＰＣＭのような異なるタイプの相変化物質を有し得るヒートシンク１０２も考えられる。更に、冷却エアフローは、ヒートシンク１０２の外側を冷却すること、又はこれらの組み合わせにより、ヒートシンク１０２を冷却するために設けられ得る。概して、シンセティックジェットモジュール１０６は、シンプルであり、摩耗するパーツの摩擦を有さない。更に、シンセティックジェットモジュール１０６は、原理的に、ダイアフラムが１又はそれ以上の開口部を持つ空洞内に搭載される、極めて小さなステレオスピーカに似ている。電磁気又は圧電ドライバは、ダイアフラムを１秒当たり１００から２００回振動させて、周囲の空気を空洞に吸い込んでから排出する。モジュールに出入りする空気の急速なサイクルは、冷却が必要とされる正しい場所、この場合においてはヒートシンク１０２の入口Ｉ_１〜Ｉ_３に向けられ得る脈動噴流（pulsating jet）を作り出す。

制御ユニット１０５は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラム可能なデジタル信号プロセッサ又は他のプログラム可能なデバイスを含み得る。制御ユニット１０５は、また若しくは代わりに、アプリケーション専用の集積回路、プログラム可能なゲートアレイロジック、プログラム可能なロジックデバイス、デジタル信号プロセッサ、又は同様のものを含んでもよい。制御ユニット１０５が、上述したマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラのようなプログラム可能なデバイスを含むときには、プロセッサは、プログラム可能なデバイスの動作を制御するコンピュータ実行可能コードを更に含み得る。

照明アセンブリ１００の動作中において、制御ユニット１０５は、照明モジュール１００が起動されるべきであることを示す制御信号を受信する。制御ユニット１０５は、ＬＥＤＬ_１〜Ｌ_９がオンにされて、光が照明アセンブリ１００から放出されるように、照明モジュール１０１を起動させる。ＰＣＭを有するヒートシンク１０２は、この場合においては、照明モジュール１０１のパッシブ冷却を行うだろう。制御ユニット１０５は、照明モジュール１０１がオフにされるべきであること、及び／又は、照明アセンブリ１００が設けられるシステムがシンセティックジェットモジュール１０６により生成されたノイズ及び振動を感知しないことを示す制御信号を再び受信する。制御ユニット１０５は、照明モジュール１０１をオフにされるだろう。ここで、制御ユニット１０５は、アクティブ冷却手段、即ち、シンセティックジェットモジュール１０６を代わりに起動させるだろう。シンセティックジェットモジュール１０６は、冷却エアフローを生成し始めて、ＰＣＭを有するヒートシンク１０２をクールダウンし始め、これにより、ヒートシンク１０２の内側に設けられたＰＣＭの凝固状態を加速させる。その後、照明モジュール１０１が再びにオンにされた場合に、シンセティックジェットモジュール１０６は、オフにされる。

オプションとして、熱的に結合するプレート１０４の温度に関する温度センサ１０３から受信したサンプル温度信号を、第１の予め規定された温度閾値と比較することが可能である。この第１の予め規定された閾値は、相変化物質の融点に関連することになる。このオプションの場合において、温度が第１の予め規定された温度閾値を超え、照明モジュール１０１がオフにされた場合にだけ、制御ユニット１０５は、シンセティックジェットモジュール１０６を起動させるだろう。同時に、制御ユニット１０５は、熱的に結合するプレート１０４の温度、従ってヒートシンク１０２の温度に関する温度センサ１０３から受信した温度信号を定期的にサンプリングし始めるだろう。

安全対策として、温度は、照明モジュール１０１がオンにされたときであっても、連続的にサンプリングされてもよい。この場合において、温度は、ＬＥＤＬ_１〜Ｌ_９の最大動作温度に関する第２の予め規定された温度閾値と比較される。温度センサ１０３により測定された温度がＬＥＤＬ_１〜Ｌ_９の最大動作温度を超える場合には、制御ユニット１０５は、照明モジュール１０１がオンであったとしても、制御ユニット１０５の一般的な制御パターンをオーバーライドして、シンセティックジェットモジュール１０６を起動させ、その場合には、ヒートシンク１０２を積極的に冷却し始める。しかしながら、概して、これは、必要ではなく、更に、照明アセンブリ１００が設けられるシステムが、シンセティックジェットモジュール１０６により生成されたノイズ及び振動に敏感な場合に障害を生じるだろう。

当業者に理解されるように、上記で論じた照明アセンブリ１００は、統合ユニットであってもよく、例えば、この場合においては統合化アクティブ冷却手段を持つヒートシンク１０２の底部は、照明モジュール１０１に関するフィッティングの底部を構成する。制御ユニット１０５は、照明アセンブリ１００とともに統合され得る。照明アセンブリ１００を有するシステムにおける処理手段は、専用の制御ユニット１０５の代わりに、又は、専用の制御ユニット１０５とともに用いられ得る。

図２において、本発明による照明アセンブリ１００の動作中においてヒートシンク１０２の内側に設けられた相変化物質の温度と、異なるタイムピリオド、例えば、ヒートシンク１０２がライトモジュール１０１から照射された光により加熱されて、アクティブ冷却手段によりクールダウンされる間の４つの異なる"セクション"との間の関係を示すグラフ２００が表わされている。ＰＣＭは、本実施形態においては、パラフィンベースの相変化物質である。

第１のセクションＡにおいて、照明モジュール１０１は、オンにされて、ＰＣＭの温度がＰＣＭの融点に達するまで増加し始める。第１の予め規定された温度閾値は、本実施形態においては、ＰＣＭの融点、例えば、摂氏４７度と同じになるように選択される。更に、ヒートシンクの温度増加は、ＰＣＭが相を変えて、熱くなりすぎることなく照明モジュール１０１により消散された大量の熱を吸収するので、セクションＢにおいて減速される。

しかしながら、セクションＣにおいて、全てのＰＣＭは、ヒートシンク１０２の温度、従って、ヒートシンク１０２におけるＰＣＭの温度は、ヒートシンク１０２の最大定常状態温度（maximum steady state temperature）まで上昇し続けるだろう。概して、ヒートシンク１０２のサイズ、及び、ヒートシンク１０２の内側に配置されたＰＣＭの量は、ヒートシンク１０２の定常状態温度が照明モジュール１０１の最大動作温度を超えないように設計される。しかしながら、一部の場合において、例えば、ライティンアセンブリ１０１が動作する環境温度が高すぎるときには、上述したように、アクティブ冷却手段の起動をオーバーライドし、照明モジュール１０１がオンにされたとしてもシンセティックジェットモジュール１０６を起動させることが必要となるだろう。第２の温度閾値は、この場合においては、照明モジュール１０２の最大動作温度、例えば、摂氏７０度に選択される。更に、他の実施形態においては、アクティブ冷却手段からの冷却エアフローを調節することが可能となる。例えば、アクティブ冷却手段がファンである場合において、これは、ファンのスピードを調節することにより達成され得る。これは、例えば、アクティブ冷却手段の起動がオーバーライドされた場合においてノイズ及び振動の介入を最小限にするだろう。

セクションＤにおいて、照明モジュール１０１がオフにされて、アクティブ冷却手段が起動される。シンセティックジェットモジュール１０６は、相変化物質の急速な温度減少を行うことで、オフ期間が最小限にされ、それ故、照明モジュール１０１の次に切り替えるオン期間での高すぎる開始温度を伴う問題を持つことなく照明モジュール１０１を続いてオンにされることを可能にする。これは、第２の切り替えられたオン期間を拡張し、それ故、ＬＥＤがオンにされたときにアクティブ冷却手段を起動させることなく、より長いタイムピリオドの間、ＬＥＤの特定の動作温度の範囲内にあることを非常に容易にする。動作温度範囲の範囲内を維持することは、概して、光源、例えばＬＥＤの寿命を延ばすだろう。

更に、セクションＤは、従来のアレンジメントにおける相変化物質の温度減少を示す点線２０１を表しており、ここでは、光源がオフにされるときにアクティブ冷却は用いられない。相変化物質の温度減少は、この場合において、非常に遅くなる。当業者により理解されるように、本発明によるアレンジメントと従来のアレンジメントとの間の、ＰＣＭの最大温度から所望温度までの温度減少における時間差は、他のものの間において、アクティブ冷却手段の容量に関連する。

図３は、画像を記録するように適合されたビデオカメラ３０１と、図１に関連して上述したような照明アセンブリ１００とを有するビデオカメラシステム３００を示している。照明アセンブリ１００は、照明アセンブリ１００により放射された光をフォーカスするためのレンズ３０３を更に有するビデオフラッシュユニット３０２に統合される。ビデオフラッシュユニット３０２は、ヒートシンク１０２（図示省略）の貫通チャンネルを介してのエアフローを可能にするための手段を更に有する。ビデオフラッシュユニット３０２におけるアクティブ冷却がファンの手段により行われる場合において、入口及び出口の双方の穴にビデオフラッシュユニット３０２を設ける必要がある。しかしながら、ビデオフラッシュユニット３０２におけるアクティブ冷却がシンセティックジェットの手段により行われる場合においては、冷却入口穴は必要とされない。上記で論じたように、アクティブ冷却は、（一般的に）光（それ故に記録）がオンであるときにはオフにされるので、記録を妨げないだろう。代わりに、アクティブ冷却は、記録及び光がオフであるときに生じる。

当業者は、本発明が上述した好ましい実施形態に限定されないことを理解する。一方、多くの変更及びバリエーションが特許請求の範囲内において可能である。例えば、本発明は、エレベータＬＥＤ照明又は連続モードをそなえた色可変ＬＥＤフラッシュユニット等の種々異なるタイプのコンパクト電子デバイスと組み合わせられてもよい。更に、ヒートシンクの冷却を更に促進するための標準的なヒートシンクフランジを有するヒートシンクを設計することが可能であるだろう。斯様な実施形態は、例えば、実施の制限がヒートシンクの内部にＰＣＭで囲まれたチャンネルを統合することを不可能にする場合に必要になり得る。

Claims (8)

1. 光源の冷却を行う照明アセンブリであって、
   前記光源により生成された熱を消散するための相変化物質を有するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクのアクティブ冷却手段と、
   前記光源がオフにされたときに前記アクティブ冷却手段を起動させる起動手段とを有する、照明アセンブリ。
2. 前記起動手段は、前記光源がオフにされ、前記ヒートシンクの温度が第１の予め規定された閾値を超えるときに、前記アクティブ冷却手段を起動させる、請求項１に記載の照明アセンブリ。
3. 前記ヒートシンクは、チャンネルのアレイを有し、
   前記相変化物質は、前記チャンネルの周りに設けられ、
   前記アクティブ冷却手段により供給された冷却エアフローは、前記チャンネルを介して流れる、請求項１又は請求項２に記載の照明アセンブリ。
4. 前記アクティブ冷却手段は、シンセティックジェットモジュール、ファン及び圧電クーラを有する群から選択される、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の照明アセンブリ。
5. 前記起動手段は、前記ヒートシンクの温度が第２の予め規定された閾値を超える場合には、前記アクティブ冷却手段の起動をオーバーライドする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の照明アセンブリ。
6. 前記光源は、当該照明アセンブリ中に含まれる、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の照明アセンブリ。
7. 画像を記録するビデオカメラと、
   請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の照明アセンブリとを有する、ビデオカメラシステム。
8. 光源により生成された熱を消散するための相変化物質を有するヒートシンクと、前記ヒートシンクのアクティブ冷却手段とを有する照明アセンブリに対して前記光源の冷却を行う方法であって、
   前記光源がオフにされたときに前記アクティブ冷却手段を起動させるステップを有する、方法。

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