JP4365436B2 - 発光ダイオードの冷却機能を備えた投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、投影の分野に関し、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）の光源としての使用及びその冷却に関する。

ＬＥＤの使用が増加している。特に、投影エンジン及びシステムのための光源としてのＬＥＤの使用に対する興味が増加している。このような増加は、部分的には、ＬＥＤの光出力の増加に起因する。歴史的には、ＬＥＤの光出力は低く、そのため、例えば戸外での応用例のような著しい光出力を要する応用例においてＬＥＤを用いることは実際的でなかった。しかし、ＬＥＤの光出力の向上により、ＬＥＤを応用する分野は増加している。

ＬＥＤの見かけの光出力は、複数のファクタに左右される。これらのファクタには、ＬＥＤの輝度だけではなく、光学的中心に対するＬＥＤの視野角も含まれる。ＬＥＤの輝度は、それ自体が多くのファクタの関数である。例えば、輝度は、ＬＥＤに与えられる電流とＬＥＤの接合温度とに影響されうる。

以下では、本発明の実施例を添付の図面を参照しながら説明するが、複数の図面における同一の参照符号は同一の構成要素を意味する。
以下の詳細な説明では、発光ダイオード（ＬＥＤ）を冷却する新規な方法及び装置が開示される。この説明では、発明の一部を形成する添付の図面に言及するが、これらの図面においては、同じ参照符号はその全体において同じ構成要素を指しており、本発明が実現される特定の実施例が図解されている。他の実施例も可能であり、本発明の範囲から逸脱することなく構造的及び論理的な変更をすることが可能であることを理解してほしい。従って、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の範囲は冒頭の特許請求の範囲及びその均等物によって画定される。

ＬＥＤは、特定の接合温度（すなわち、ＬＥＤの発光部分の温度）における光出力特性を用いて格付け（レーティング、レート付け）がなされることが多い。例えば、あるＬＥＤの光出力が摂氏２５度である場合には、１００％の値を有する（例えば、正規化されている）という格付けがなされる。光出力は、接合温度の他の値に対しては、この値との関係で決定することができる。図１には、接合温度の関数として、特定の緑色ＬＥＤに対する相対光出力が図解されている。接合温度が上昇すると、一般的には、相対光出力は、摂氏２５度における値との関係では低下する。この特定の緑色ＬＥＤは、例えば、摂氏７０度では、その摂氏２５度での値の８０％の相対光出力を有する（図１の１８３）。この特定の緑色ＬＥＤは、摂氏１２０度では、摂氏２５度での値の６０％の相対光出力しか有していない（図１の１８５）。

このように、冷却されていないＬＥＤと比較すると、ＬＥＤを冷却することにより、より大きな光出力を生じさせることができる。ＬＥＤを冷却するには、様々な方法を用いることができる。例えば、ヒートシンクをＬＥＤに結合させることができる。あるいは、空気を強制的に与えることによりＬＥＤを冷却することができる。これらの方法は接合温度を低下させることができるのであるが、接合温度の低下は、目的としている光出力を得るには十分ではない可能性がある。この出願において開示されているように、他の方法を用いてＬＥＤの接合温度を更に低下させることが可能になり、結果的に、ＬＥＤの光出力を増加させることが可能になる。

図２には、本発明のある実施例による、ＬＥＤの冷却デバイスを含むデバイスが図解されている。図解されている実施例では、ＬＥＤ２１０は、熱伝導性の経路を介して、熱電気クーラ２３０（例えば、ペルティエ（Peltier）・デバイス）に熱的に結合されている。この熱伝導性の経路は、熱絶縁性基板２２４における熱伝達性スラグ２２２でありうる。他の実施例では、ＬＥＤは、熱電気クーラに直接に接続される。熱電気クーラの冷たい方の端部２３２は、ＬＥＤ２１０と熱的に結合されている。図解されている実施例では、熱電気クーラの熱い側の端部２３４は、ヒートシンク２４０に結合されている。ヒートシンクは、強制された空気流（エアフロー）２５０の中に配置され、より大きな冷却を提供する。しかし、別の実施例では、強制ではなく自然の対流を用いて、ヒートシンクを冷却することができる。更に別の実施例では、強制エアフローを用いて、ヒートシンクを使用せずに直接に熱電気クーラを冷却することができる。ヒートシンク２４０は熱電気クーラ２１０と物理的に結合されているように図解されているが、他の実施例では、この結合は単に熱的性質のものでもありうる。

熱電気クーラの熱い側の温度は、冷却されていないＬＥＤの温度よりも実質的に高いことがある。従って、この高い方の温度を放散する、より広範な方法を用いることがありうる。例えば、より大型のヒートシンクを用いて、熱電気クーラとＬＥＤとの両方を冷却することができる。しかし、結果的により大きな光出力が得られる可能性を考慮して、より大型のヒートシンクのための追加的費用が正当化されるかどうかが判断される。

図３は、ある実施例による別の構成のＬＥＤを図解している。図３に図解されているＬＥＤ３１０は、例えばアルミニウム製のコアなどの金属製コアを有するプリント回路ボード３２０の上に取り付けられている。プリント回路ボード３２０は、熱電気クーラ３３０に結合されている。そして、熱電気クーラ３３０は、熱ブロック３３５と結合されている。熱ブロック３３５は、その中に、複数の冷却スティック３４０の端部を有している。冷却スティック３４０は、冷却剤をその内部に有する空洞のスティックである。冷却スティック３４０の他端は、強制エアフロー３５０の中にある。冷却剤は、熱ブロックの内部でその温度が上昇すると、気化し、強制エアフローの中にある熱スティックの冷たい側３４４に移動する。気化した蒸気は、凝縮し、温度が低下して凝縮した液体は、熱スティックの熱い側に戻る。

図４は、他の実施例による、冷却スティックを用いるＬＥＤ冷却方法を図解している。この実施例では、冷却スティック４４０の熱ブロックの中にない側は、１又は複数のヒートシンク４６０に結合されている。ヒートシンク４６０は、冷却スティック４４０によってヒートシンク４６０に転送された熱を放散するのに用いられる。この冷却は、ヒートシンクを放熱する自然の対流によるものである。あるいは、ヒートシンク４６０の周囲に強制エアフロー環境を生じさせ、強制的な対流冷却を提供する。

図５には、熱電気クーラを用いずに熱ブロックが接続されているＬＥＤ冷却システムが図解されている。より受動的であるこの実施例では、熱ブロック５３５は、熱スラグ５２２を含むＰＣＢ５２０に結合されている。熱スラグ５２２は、ＬＥＤ５１０と熱ブロック５３５との間の熱結合を提供する。熱ブロック５３５は、熱スティック５４０に熱的に結合されている。この実施例は、熱電気クーラを用いる実施例と比較して消費電力が少ない低コストの解決法を提供することができる。

図６は、ある実施例による液体冷却システムを図解している。ＬＥＤ６１０は、熱ブロック６３５と熱的に結合されている。熱ブロック６３５は、液体冷却システムに結合されている。図解されている実施例では、液体冷却システムは、熱交換器６５０と熱ブロック６３５とに結合された液体経路６４０の中の液体を含む。ある実施例では、この液体は冷却剤である。液体冷却システムは、このシステムにおける液体の循環を容易にする流体ポンプ６６０を更に含む。液体は、熱ブロック６３５を通過する際に加熱される。加熱された液体は、ポンプによって、熱交換器６５０に送られる。熱交換器６５０は、液体を冷却するのに用いられる。図解されている実施例では、液体の冷却は、強制された空気によって補助される。

図７には、他の実施例による、液体冷却システムを用いるＬＥＤが図解されている。ＬＥＤ７１０の冷却を更に容易にするため、熱電気クーラ７３０は、熱ブロック７３０とＬＥＤ７１０との間に熱的に結合されている。液体冷却システム７４０は、熱電気クーラ７３０の熱い側を冷却するのに用いられる。

ＬＥＤを冷却する上述した実施例は、フィードバック・ループの一部でありうる。ＬＥＤの動作又はＬＥＤの冷却を制御するのにフィードバックを用いることができる。ある実施例では、熱センサがＬＥＤの近傍に又はＬＥＤの熱的な下流（これは、ＬＥＤの熱的な状態を示す）に配置される。別の実施例では、熱センサはＬＥＤと一体化されている。熱センサは、その熱センサからの出力がＬＥＤのキーとなる温度とうまく相関関係にあるように特徴付けをすることができる。熱センサからの出力は、処理のためにプロセッサに送られる。この処理には、冷却コントローラを制御する制御出力を発生することが含まれる。冷却コントローラは、熱電気クーラや熱ポンプやファンなどの冷却に応答的に影響するすべての冷却デバイスを制御することができる。プロセッサによって用いられるアルゴリズムは、ＬＥＤの寿命、ＬＥＤの輝度、システムの音質など、どのような所望のパラメータでも改善するように設計することができる。

図８に図解されている実施例では、熱センサ８３０を用いてＬＥＤ８１０の熱出力をモニタしている。この実施例では、熱センサ８３０は、ＬＥＤ８１０がその上に配置されている熱伝達性のプリント回路ボード８２０の上にある。熱伝達性のプリント回路ボード８２０は、熱電気クーラ８３５と冷却システム８５０とに結合されている。熱センサ８３０は、ＬＥＤ８１０の熱出力に関する情報をプロセッサ８４０に提供する。すると、プロセッサ８４０は、冷却システム８５０の中の熱交換器の上にエアフローを強制するファン８７０を制御するか、冷却システムのポンプを制御するか、提供された情報に基づいて熱電気クーラの電流を制御するか、の中の少なくとも１つの動作をする。

図９に図解されているある実施例によるシステムでは、ＬＥＤ９１０の出力を制御するのに熱フィードバックが用いられている。熱センサ９３０は、ＬＥＤ９１０と熱的に結合されている。熱センサ９３０からの信号９３５は、プロセッサ９４０に送られる。プロセッサ９４０はＬＥＤドライバ９２０を制御し、ＬＥＤドライバ９２０はＬＥＤ９１０を制御する。プロセッサ９４０は、熱センサ９３０からのフィードバック熱情報を解析し制御情報をＬＥＤドライバ９２０に提供するように設計されているアルゴリズムを含むソフトウェア命令を実行する。例えば、ＬＥＤ９１０が過渡に高温である場合には、ＬＥＤドライバ９２０は、制御値を介してプロセッサからＬＥＤ９１０の光出力を減衰させるように命令されうる。この減衰は、プロセッサがメモリ９４５に記憶されたテーブルから新たな制御値を参照することによって達成される。このテーブルには、熱センサ９３０からプロセッサ９４０に提供される特定の熱情報に対する制御値が含まれている。ある実施例では、制御値はＬＥＤ９１０に提供される新たな電流レベルであり、熱情報は熱センサ９３０による測定温度である。制御システムは、所望の温度が熱センサ９３０において得られるまで、ＬＥＤ９１０に対して作用する。別の実施例では、ルックアップテーブルの代わりにアルゴリズムを用いて、ＬＥＤコントローラに提供される制御情報が決定される。同時出願中の「LED PROJECTOR DRIVE SCHEMES」と称する特許出願に、ＬＥＤの駆動方式に関する情報が記載されており、その特許出願の明細書は、この特許出願においてその全体を援用する。

図１０には、別の実施例によるシステムが図解されており、このシステムでは、熱フィードバックを用いてＬＥＤ１０１０の出力を制御している。この実施例では、熱センサ１０３０を介してＬＥＤ１０１０の温度をモニタすることによって、プロセッサ１０４０は、ＬＥＤ１０１０への電力と冷却デバイスへのドライバ１０２０との両方を制御する。例えば、光出力モニタ１０３５は、ＬＥＤ１０１０の光出力に関する情報をプロセッサ１０４０に提供する。図解されている実施例では、回路ボード１０６０における信号トレースを通じて、電流がＬＥＤ１０１０に提供される。コントローラにＬＥＤ１０１０への電流を減少するように指示することによって、ＬＥＤ１０１０の光出力を更に低下させることが望ましくないということを判断することができる。この場合には、冷却システム１０５０によってＬＥＤの冷却を強化することが望ましい。例えば、熱交換器の周囲の強制的なエアフローを増加することによって、ＬＥＤ１０１０の冷却を強化するという強制的なエア冷却方法がありうる。

図１１には、本発明のある実施例によりイメージを投影する投影システム１１００のブロック図が図解されている。図解されているように、この実施例では、投影システム１１００は、ＬＥＤ光源１１０２を有する投影エンジンと、多数の他の光学成分１１０６と、投影レンズ１１０８とが、示されているようにそれぞれに光学的に結合されている。様々な実施例では、他の光学成分１１０６は、特に、光弁（図示せず）を含む。更に、この実施例では、投影システム１１００は、ＬＥＤコントローラ１１１２を介してＬＥＤ光源１１０２を制御するように電気的に結合された制御ブロック１１１０と、ＬＥＤ冷却システム１１１４と、他の光学成分１１０６とを含んでいる。

ＬＥＤ光源１１０２は、多数の原色光束を提供するのに用いられる。様々な実施例では、原色光束は、赤、青及び緑の光束を含む。別の実施例では、それ以外の原色光束が代わりに提供されることもありうる。

以上では、特定の実施例を図解し説明して好適実施例を説明してきたが、この技術分野の当業者にとっては、本発明の範囲から逸脱することなくここで示され説明された特定の実施例の代わりに、同一の目的を達成するように構成された多くの代替的な及び／又は均等の実施例を用いることが容易である。当業者であれば、本発明は、非常に多くの実施例において実現されうることを理解するはずである。この出願は、以上で論じた実施例の変形例や修正例をカバーすることを意図している。従って、ここで、本発明は冒頭の特許請求の範囲の記載のみによって画定されることが意図されていることを明らかにしておく。

特定の緑色ＬＥＤの相対光出力を接合温度の関数として図解している。 本発明のある実施例による、ＬＥＤのための冷却デバイスを含むデバイスを図解している。 本発明のある実施例による、別の構成を有するＬＥＤを図解している。 別の実施例による、冷却スティックを用いるＬＥＤ冷却方法を図解している。 熱電気クーラを用いずに接続された熱ブロックを有するＬＥＤ冷却システムを図解している。 ある実施例による液体冷却システムを用いるＬＥＤを図解している。 別の実施例による液体冷却システムを用いるＬＥＤを図解している。 ＬＥＤの熱出力をモニタするのに熱センサが用いられる実施例を図解している。 ある実施例による、ＬＥＤの出力を制御するのに熱フィードバックが用いられるシステムを図解している。 別の実施例による、ＬＥＤの出力を制御するのに熱フィードバックが用いられるシステムを図解している。 本発明のある実施例による、イメージを投影する投影システムのブロック図を図解している。

Claims (10)

1. 投影装置であって、
   投影のための光を生じる発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
   前記ＬＥＤに結合されており前記ＬＥＤに電力を提供する電源と、
   前記ＬＥＤに熱的に結合されており前記ＬＥＤの温度に基づく出力を提供するように構成された熱センサと、
   前記ＬＥＤに熱的に結合された冷却システムと、
   前記熱センサに結合されており、前記ＬＥＤに提供される電力を減衰する態様で前記電源を制御し、前記熱センサから受け取られる出力に基づいて前記ＬＥＤを冷却するように前記冷却システムを制御するプロセッサと、
   を含むことを特徴とする投影装置。
2. 請求項１記載の投影装置において、前記冷却システムは液体冷却システムを含むことを特徴とする投影装置。
3. 請求項１記載の投影装置において、前記冷却システムは熱電気クーラを含むことを特徴とする投影装置。
4. 請求項１記載の投影装置において、
   前記プロセッサに結合されており前記ＬＥＤによって出力される光の量に関する情報を提供する光出力モニタを更に含んでおり、
   前記プロセッサは、前記ＬＥＤによって出力される光の量に関する提供された情報に基づいて前記電源と前記冷却システムとを制御することを特徴とする投影装置。
5. 投影装置であって、
   投影のための光を生じる発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
   前記ＬＥＤに結合されており前記ＬＥＤに電力を提供する電源と、
   前記ＬＥＤに熱的に結合された冷却システムと、
   前記ＬＥＤから出力される光の量に関する情報を提供する光出力モニタと、
   前記電源と前記冷却システムと前記光出力モニタとに結合されており、前記光出力モニタから提供された情報に基づいて少なくとも前記電源と前記冷却システムとを制御するプロセッサと、
   を含むことを特徴とする投影装置。
6. 請求項５記載の投影装置において、
   前記ＬＥＤに熱的に結合されており前記ＬＥＤの温度に基づく出力を提供する熱センサを更に含んでおり、
   前記プロセッサは、前記熱センサから提供される出力に基づいて前記電源又は前記冷却システムを制御することを特徴とする投影装置。
7. 請求項５記載の投影装置において、前記冷却システムは熱電気クーラを含むことを特徴とする投影装置。
8. 請求項５記載の投影装置において、前記冷却システムは複数の冷却スティックを含むことを特徴とする投影装置。
9. 請求項５記載の投影装置において、前記冷却システムは液体冷却システムであることを特徴とする投影装置。
10. 請求項９記載の投影装置において、前記冷却システムは強制空気冷却装置を含むことを特徴とする投影装置。

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