(57)【要約】  熱電冷却器が、所望される時と場合に、密度および強度が極めて高いスポット冷却をもたらすよう、光電子装置の動作と実質的に同期して過渡的に動作し得る。ここに記載および例示される発明の技術は、非常に局所化された、強度の、但し過渡的な熱流束を発生させる或るクラスの放射装置の構成および／または用途について高い光束および／またはより長い寿命を可能にし得る。たとえば、ある発光ダイオード（ＬＥＤ）応用例、たとえば、フラッシュ照明のための白色ＬＥＤ、ある固体レーザ構成、ならびに他の同様の構成および用途は、開発された技術から利点を得ることができる。加えて、この明細書中に記載および例示されるこの発明の技術は、より高い装置感度をもたらすようセンサ構成において用いることができる。たとえば、感光装置の応用例、たとえばＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージャにおいては、この発明の技術を用いて、より高い光子感度とより低い暗電流とをもたらすことができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器であって、
光電子装置と、
前記光電子装置に熱的に結合された熱電冷却器とを含み、前記熱電冷却器は、前記熱電冷却器の過渡的な冷却動作を前記光電子装置の動作と実質的に同期させるよう作動的に結合される、機器。
【請求項２】
前記実質的な同期をもたらすよう結合される同期回路をさらに含む、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記光電子装置および前記熱電冷却器は、そこを通る電流の流れが電力を供給し、前記熱電冷却器の過渡的な冷却動作を前記光電子装置の動作と実質的に同期させるように、電気的に直列に結合される、請求項１に記載の機器。
【請求項４】
前記光電子装置および前記熱電冷却器は、これらに供給される関連する電圧が電力を供給し、前記熱電冷却器の過渡的な冷却動作を前記光電子装置の動作と実質的に同期させるように、電気的に並列に結合される、請求項１に記載の機器。
【請求項５】
前記光電子装置を含む光電子装置のアレイをさらに含み、前記熱電冷却器は前記アレイに熱的に結合される、請求項１に記載の機器。
【請求項６】
前記熱電冷却器は、周囲温度よりも低く前記光電子装置を冷却するよう過渡的に動作可能である、請求項１に記載の機器。
【請求項７】
前記熱電冷却器は、前記動作との同期を予期して、前記光電子装置を予め冷却し、それに結合された相変化材料の塊を予め転移させるよう過渡的に動作可能である、請求項１に記載の機器。
【請求項８】
前記熱電冷却器は、前記光電子装置の動作との同期によって放出される熱をそこに伝達するよう過渡的に動作可能である、請求項１に記載の機器。
【請求項９】
実質的に同期された過渡的な冷却動作は、少なくともその動作中に冷却力を前記光電子装置に伝える、請求項１に記載の機器。
【請求項１０】
前記実質的に同期された過渡的な冷却動作は、その動作の前に冷却力を前記光電子装置に伝える、請求項１に記載の機器。
【請求項１１】
前記光電子装置はセンサ装置を含み、前記動作との同期は、光子束への前記センサ装置の応答のサンプリングを含む、請求項１に記載の機器。
【請求項１２】
前記センサ装置は、
電荷結合素子（ＣＣＤ）と、
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサとのうちの１つ以上を含む、請求項１１に記載の機器。
【請求項１３】
前記光電子装置は放射装置を含む、請求項１に記載の機器。
【請求項１４】
前記動作との同期は放射を含む、請求項１３に記載の機器。
【請求項１５】
前記動作との同期が、
前記放射装置を通る電流の消散と、
前記放射装置の励起とのうちの１つまたは両方を含む、請求項１３に記載の機器。
【請求項１６】
前記放射装置が、
発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
半導体レーザとのうちの１つ以上を含む、請求項１３に記載の機器。
【請求項１７】
前記光電子装置から前記熱電冷却器への熱伝導経路を少なくとも部分的に規定する相変化材料の塊をさらに含む、請求項１に記載の機器。
【請求項１８】
前記熱電冷却器の過渡的な冷却動作の結果として、前記相変化材料のうちの少なくとも一部が、その第１の相からその第２の相への転移を被る、請求項１７に記載の機器。
【請求項１９】
前記光電子装置の放射動作の結果として、前記相変化材料のうちの少なくとも一部がその前記第２の相から前記第１の相への転移を被る、請求項１８に記載の機器。
【請求項２０】
第２の相から第１の相への転移を被る前記相変化材料が、前記光電子装置の放射動作によって放出される熱の実質的な部分を吸収する、請求項１９に記載の機器。
【請求項２１】
前記過渡的な冷却動作が少なくとも部分的に前記放射動作より前に起こる、請求項１９に記載の機器。
【請求項２２】
前記過渡的な冷却動作が少なくとも部分的に前記放射動作の後に起こる、請求項１９に記載の機器。
【請求項２３】
相変化材料の塊をさらに含み、前記熱電冷却器は、前記光電子装置から前記相変化材料への熱伝導経路を少なくとも部分的に規定する、請求項１に記載の機器。
【請求項２４】
前記熱電冷却器の過渡動作中に、前記熱電冷却器の側部に面する相変化材料の温度が、前記相変化材料のための変換の潜熱に基づいて実質的にクランプされる、請求項２３に記載の機器。
【請求項２５】
前記熱電冷却器の過渡動作中に、前記相変化材料のうち少なくとも一部が、その第１の相からその第２の相への転移を被る、請求項２３に記載の機器。
【請求項２６】
転移を被る前記相変化材料が、その過渡動作中に前記熱電冷却器にわたって伝達される熱の実質的な部分を吸収する、請求項２５に記載の機器。
【請求項２７】
転移を被る前記相変化材料が、前記光電子装置の動作と同期されることによって放出される熱の実質的な部分を吸収する、請求項２５に記載の機器。
【請求項２８】
光電子装置を、それに熱的に結合される熱電冷却器を用いて過渡的に冷却するステップと、
前記過渡的な冷却を前記光電子装置の動作と実質的に同期させるステップとを含む、方法。
【請求項２９】
少なくとも前記光電子装置の動作との同期中に前記過渡的な冷却を実行するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
少なくとも部分的に前記光電子装置の放射またはサンプリング動作の前に前記過渡的な冷却を実行するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記光電子装置はセンサ装置を含み、
前記実質的に同期された動作は、光子束への前記センサ装置の応答をサンプリングするステップを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記過渡的な冷却は、前記光電子装置の温度を周囲温度よりも低く下げる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記光電子装置は放射装置を含み、
前記放射装置の実質的に同期された動作が熱を放出する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記過渡的な冷却中に、放出された熱の実質的な部分を前記熱電冷却器にわたって伝達するステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記熱電冷却器の一方側の温度を、それに熱的に結合された相変化材料の変換の潜熱に基づいて実質的にクランプするステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
過渡動作中に前記熱電冷却器にわたって伝達される熱の実質的な部分を相変化材料の変換に吸収するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３７】
前記光電子装置の実質的に同期された動作によって放出される熱の実質的な部分を相変化材料の変換に吸収するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３８】
前記動作との同期の前に、相変化材料の塊を予め変換するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３９】
機器であって、
光電子装置と、
前記光電子装置に熱的に結合された熱電冷却器と、
前記熱電冷却器の過渡的な冷却動作を前記機器の動作と実質的に同期させるよう結合された同期回路とを含む、機器。
【請求項４０】
前記動作との同期は、前記光電子装置の放射動作を含む、請求項３９に記載の機器。
【請求項４１】
前記動作との同期は、前記光電子装置のサンプリング動作を含む、請求項３９に記載の機器。
【請求項４２】
前記過渡的な冷却動作は、少なくとも部分的に前記光電子装置の放射またはサンプリング動作より前に起こり、
前記動作との同期は、前記光電子装置の状態をサンプリングまたは放射する準備を引起こす、請求項３９に記載の機器。
【請求項４３】
熱電冷却器を用いて光電子装置を過渡的に冷却するステップを含む方法であって、
少なくとも部分的に前記光電子装置の動作の前に、および前記動作を予期して前記過渡的な冷却が実行される、方法。
【請求項４４】
前記過渡的な冷却に関連して、前記光電子装置に熱的に結合された相変化材料をその第１の相からその第２の相に予め転移させるステップをさらに含む、請求項４３に記載の方
法。
【請求項４５】
前記光電子装置の状態をサンプリングするかまたは放射する準備を引起こす動作と前記過渡的な冷却とを実質的に同期させるステップをさらに含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
撮像製品を製造する方法であって、
熱電冷却器を光電子装置に熱的に結合するステップと、
前記熱電冷却器の過渡的な冷却動作を前記光電子装置の動作と実質的に同期させるよう、前記光電子装置および前記熱電冷却器のうちの少なくとも１つに同期回路を結合するステップとを含む、方法。
【請求項４７】
前記光電子装置および前記熱電冷却器のうちのもう一方に前記同期回路を結合するステップをさらに含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記光電子装置は、
電荷結合素子（ＣＣＤ）と、
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）アレイと、
発光ダイオードと、
半導体レーザとのうちの１つを含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
相変化材料の塊は、前記熱電冷却器が前記光電子装置に熱的に結合された後、前記熱電冷却器がその動作中に前記光電子装置から前記相変化材料への熱伝導経路を少なくとも部分的に規定するように、前記熱電冷却器に熱的に結合される、請求項４６に記載の方法。
【請求項５０】
前記熱電冷却器の動作中に、その高温側の温度が前記相変化材料の相変化温度で実質的にクランプされるように、相変化材料の塊を前記熱電冷却器に熱的に結合するステップをさらに含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項５１】
デジタルカメラとして前記撮像製品をパッケージングするステップをさらに含む、請求項４６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
この発明は、光電子装置の過渡的冷却に関し、特に、光電子装置の動作と同期した熱電冷却の過渡的使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術
家庭用電子機器を含む現代のデジタル装置はますます光電子装置を使用するようになってきている。好例としてデジタルカメラ（およびカメラの特徴を含む電話機）が挙げられる。電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサのアレイは画像の取込みに用いられる。いくつかの装置においては、それ自体が発光ダイオード（ＬＥＤ）または他の技術を用い得るフラッシュが用いられてもよい。
【０００３】
ＣＣＤアレイの個々の要素は、入射光からのエネルギを電子に変換する。入射光の強度が高ければ高いほど（または、要素が長く晒されるほど）、その要素が蓄積する自由電子がより多くなる。当然、大抵のセンサのように、ＣＣＤ（およびＣＭＯＳ装置）は雑音の影響を受けやすい。というのも、材料および装置の構造が基準レベルの電子の「動作」（または電流）を呈するからである。センサにおいては、この電流は通常、暗電流と称される（この名称における「暗（dark）」とは、電流が光に晒されずに形成されたことを意味する）。暗電流は温度とともに増大する。
【０００４】
感度は典型的には暗騒音によって制限される。一般に、要素は、小さければ小さいほど、所与のレベルの感度のためにより高い雑音を許容しなければならない。したがって、（しばしば、より一層小さなセンサ要素で）より一層高いピクセル密度がサポートされる場合、感度および騒音の問題がますます重要になるかもしれない。したがって、光電センサのアレイを冷却するための効率的な技術が所望される。
【０００５】
感光装置に加えて、いくつかの光電子放出装置は温度に対する感度を示す。たとえば、白色フラッシュＬＥＤの光束および寿命は、動作温度によって影響を被る可能性がある。フラッシュＬＥＤおよびＣＣＤを冷却するための大抵の方策は、消極な熱拡散パッケージに限定されてきた。残念ながら、公知の消極的な方法では白色ＬＥＤおよびＣＣＤの性能を高めることは難しい。代替的な技術が所望される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の開示
所望される時と場合に密度および強度が極めて高いスポット冷却をもたらすために、光電子装置の動作と実質的に同期して熱電冷却器を過渡的に作動させ得ることが明らかになった。この明細書中に記載および例示される発明の技術は、非常に局所化された、強度の、但し過渡的な熱流束を発生させる或るクラスの放射装置の構成および／または用途について高い光束および／またはより長い寿命を可能にし得る。たとえば、ある発光ダイオード（ＬＥＤ）応用例、たとえば、フラッシュ照明のための白色ＬＥＤ、ある固体レーザ構成、ならびに他の同様の構成および用途は、開発された技術から利点を得ることができる。加えて、この明細書中に記載および例示される発明の技術をセンサ構成で用いて、より高い装置感度をもたらすことができる。たとえば、感光装置の応用例、たとえばＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージャにおいては、この発明の技術を用いて、より高い光子感度とより低い暗電流とをもたらすことができる。
【０００７】
いくつかの構成においては、熱電冷却器は、相変化材料とともに用いられる。たとえば、熱電冷却器は、光電子装置から相変化材料の塊への熱伝導経路を少なくとも部分的に規定し得る。このような構成においては、相変化材料は、その過渡動作中に、熱電冷却器の高温側の温度を有効にクランプし、これにより、伝えられたその低温側の温度を下げ得る。相変化材料の塊は、熱電冷却器にわたって伝達される熱の少なくとも実質的な部分をその相転移に吸収するような大きさにされる。いくつかの活用例においては、熱の伝達により、光電子装置が周囲温度よりも低く冷却されることとなる。いくつかの活用例においては、光電子装置によって放出される実質的な熱流束は相転移に吸収される。代替的または付加的には、相変化材料の塊は、光電子装置から熱電冷却器への熱伝導経路を少なくとも部分的に規定し得る。このようないくつかの構成においては、放出された熱流束を吸収するのに相変化材料が用いられてもよい。このようないくつかの構成においては、相変化材料は、熱電冷却器の過渡動作の結果として予め冷却され得る（および、典型的には予め転移させられ得る）。これらおよび他の実施例は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照すると理解されるだろう。
【０００８】
添付の図面を参照することによって、この発明がよりよく理解され、その多数の目的、特徴および利点が当業者に明らかとなるだろう。
【０００９】
異なる図面において同じ参照符号を用いて同様または同一の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
発明を実施するためのモード
この明細書中に記載および例示される発明の技術は、フラッシュＬＥＤのために高い光束およびより長い寿命と、ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージャのためにより高い光子感度およびより低い暗電流とを可能にし得るが、これらには限定されない。したがって、我々は、同様の技術を組込んだデジタルカメラおよび携帯電話などの家庭用電子機器に特有の構成、光電子装置、材料および熱流束の文脈においてこの発明の概念の局面を説明する。しかしながら、この明細書中においてより完全に説明されているとおり、この発明はこのような活用例に限定されない。
【００１１】
特に、以下の説明において強調されているこの発明の活用例においては、発光ダイオード、たとえば白色ＬＥＤ、または他の光電子放出装置が、フラッシュモードの動作において、たとえばデジタル撮像をサポートするためのフラッシュ照明として用いられる。このような活用例においては、極めて高い過渡的な熱流束が生成され得る。白色ＬＥＤの場合には特に、強度と、場合によってはスペクトル特性とを含む輝度の性質がＬＥＤの動作温度の影響を受ける可能性がある。さらに、このようなＬＥＤの有用な動作寿命は、高温での動作によって悪影響を被る可能性がある。加えて、デジタルカメラ、電話機などの小型の形状因子の電子機器についての典型的な活用例においては、他の光電子装置、たとえばＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージャ、ＲＦ電子機器などの熱感度は、このようなＬＥＤの動作に関する熱的問題によって悪影響を被るおそれがある。
【００１２】
ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージャなどの或る感光装置の感度と、これによりその性能とは、典型的には、熱的暗騒音によって制限されてしまう。一般に、より小さいかまたはより早く応答する要素は、所与のレベルの感度に対して、より高レベルのノイズを許容するはずである。したがって、より一層高いピクセル密度が（しばしば、より一層小さなセンサ要素で）サポートされる場合、感度およびノイズの問題はますます重要になる。光電センサのアレイを冷却するための効率的な技術が所望される。多くのＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージャ（たとえば、画像の取込みに用いられるもの）が連続的ではなく断続的に動作するので、この明細書中に記載されるとおり、過渡的に与えられる冷却力を有利に用いる
ことができる。
【００１３】
これらおよび他の理由で、過渡的な熱負荷を克服するための白色ＬＥＤフラッシュ照明器の冷却（もしくはその緩和）および／またはＣＣＤもしくはＣＭＯＳイメージャの過渡的冷却は、或る発明の概念および設計についての有用な記述的文脈としての役割を果たす。しかしながら、その記載に基づけば、当業者は、記載された技術の他の活用例を認識するだろう。したがって、この明細書中に記載およびクレームされる発明の概念の範囲に限定せずに、我々はいくつかの具体的な実施例を説明する。
【００１４】
一般的な技術
この発明に従ったすべてではないがいくつかの実施例において、我々は２つの基本的な技術を活用する。第１に、我々は、熱電冷却器の過渡的な冷却特性を用いて、大きな冷却力と温度差とを得る。たとえば、いくつかの実施例においては、照明器またはイメージャのための熱電冷却器は、フラッシュ照明または画像の取込と概して同期した態様で動作する。典型的な熱電冷却器によってもたらされるペルチェ冷却はほぼ瞬間的なものであるが、ジュール熱の発生と、その後に起る熱電素子の低温端部への逆流とは比較的低速である。結果として、過渡的に伝えられる冷却力が、定常状態の性能が示し得るよりもはるかに高くなる可能性がある。
【００１５】
熱電装置および材料が当該技術において周知であり、その多様な構成、システムおよび活用例が当業者に明らかとなるだろう。一般に、活用例として、適切な材料、材料界面または量子構造にわたる電流または起電力（典型的には電圧）の結果として温度差が発生する例が含まれる。しばしば、このような活用例はペルチェ効果に基づいて作動する。ペルチェ効果は、異なる導電性（または半導電性）材料間の界面において発生する。しかしながら、より一般的には、材料において、材料の界面において、または量子スケールの閉じ込めの結果として、関連の効果または同様の効果（たとえば、トムソン効果、量子トンネル効果および熱電子効果）を含む他の効果または作用が同様に活用されてもよい。
【００１６】
したがって、この説明のために、「熱電冷却器」という語は広義の意味をもち、ここでは、電流または起電力が、熱電モジュール、電対、素子、装置、材料などにわたる温度差のために犠牲にされ、このため、ペルチェ効果を利用する熱電冷却器構成と、トムソン効果、量子トンネル効果、熱電子効果もしくは他の同様の効果または当該効果の組合せに基づいて作動するようなものとを含む。こうして、説明を明瞭にするために、我々はペルチェタイプの熱電冷却器に焦点を当てる。しかしながら、このような説明に基づき、当業者は、他の熱電タイプの効果が用いられている装置および構成への上述の発明の概念の応用例を認識するだろう。
【００１７】
第２に、我々は相変化材料を用いる。相変化材料は、熱電モジュール、電対、素子、装置、材料などの高温端部もしくは冷却された端部（または高温端部および冷却された端部の両方）に位置決めされ得る。相変化材料は、高温端部に位置決めされた場合、熱電部にわたって伝達された熱が相変化材料のうちの少なくともいくらかの、第１の状態から第２の状態への転移に吸収されると、熱電部の高温側の温度を有効にクランプする。熱電部が、その冷却された側と高温側との間の温度差をほぼ瞬時に発生させるので、特定の相変化材料およびその量が動作温度および予期される熱流束に関連して適切に選択される場合、実質的にすべての温度変化が低温側の冷却として伝えられる。典型的には、熱電部は、所望される時と場合に極めて高い密度のスポット冷却をもたらすよう、光電子放出装置または感光装置の動作と実質的に同期して過渡的に動作する。
【００１８】
相変化材料は、冷却された端部に位置決めされると（すなわち、光電子放出装置と熱電部との間に熱的に位置決めされると）、光電子放出装置によって生成されるかまたは放出
される大きな過渡的な熱流束を有効に吸収し、これにより、生成されたかまたは放出された熱流束が光電子放出装置から離れた従来の熱伝導経路を覆った場合に発生し得る装置の温度に大きな局所化されたずれが生じるのを防ぎ得る。次いで、熱電部は、相変化材料から離れている熱伝導経路の一部として機能し、最終的に、大きな過渡的な熱流束が吸収された相変化を反転させる。相変化によって表わされる熱容量が大きいので、熱電部を光電子放出装置の動作と（過渡モードで）同時に作動させる必要はない。むしろ、たとえば、低出力レベルで熱電部を連続的または半連続的に作動させてもよい。代替的には、光電子放出装置の動作に正確に対応する必要のない熱電部をときどき断続的に作動させてもよい。このように、熱電部および光電子放出装置をともに含むシステムについて、ピーク出力要件を低減させることができる。
【００１９】
一般に、冷却された装置（たとえば、光電子装置単独、または、相変化材料の付随的な塊と組合された光電子装置）の熱遮断熱抵抗（Ｒth）が、冷却器の熱量効率（ε）と、光電子装置の全体的な電力損失（Ｑ）で除算された光電子装置の動作温度（Ｔs）との積未満である場合、熱電冷却器は有利に用いられ得る。連続的に動作する熱電冷却器の場合、この関係は以下のとおりに表すことができる。
【００２０】
【数１】
2008518513.tif 000002
【００２１】
たとえば、ＺＴ＝１、ＴS＝３３０Ｋ（５７℃）およびＱ＝１Ｗである熱電装置についてε＝０．１であれば、熱電部の連続的な動作によって伝えられる熱電冷却は、Ｒth＜３３Ｋ／Ｗである場合、有利になるだろう。
【００２２】
概して、使用される相変化材料および周囲の条件に応じて、熱電部の冷却された端部に（これと熱的に連通して）相変化材料を配置する実施例では、相変化材料を、周囲条件に適合した相に回復させるよう動作し得るか、または、相変化材料を適切な相状態に予め転移させるよう動作し得る。たとえば、いくつかの実施例においては、熱電部は、（光電子放出後）液相の相変化材料を環境の安定した固体状態に戻すよう動作し得る。さらに、いくつかの実施例においては、熱電部は、（光電子放出の前に）環境が安定した液相の相変化材料を予め凝固させるよう動作し得る。すなわち、後冷却および予冷却の実現が可能となる。
【００２３】
当然、いくつかの活用例においては、熱的に分離された量の相変化材料が必要に応じて熱電部の両端に位置決めされてもよい。同様に、ある構成では熱電部は省かれてもよく、この場合、光電子放出装置によって生成されるかまたは放出され、相変化材料によって吸収される大きな過渡的な熱流束は、光電子放出装置の次の動作の前に、相変化を反転させるのに十分な他の能動的または受動的なメカニズムを用いて有効に放散させることができる。
【００２４】
特定の相変化材料および特定の相転移は活用例ごとに異なり得るが、ニッケルの空隙に閉じ込められた低融点のはんだまたはガリウムに現れる固相−液相の転移は、典型的には、この明細書中に記載される光電子装置冷却実現例の多くに対して好適である。いくつかの実施例においては、相変化材料は断熱界面材料を含み得る。より一般的には、当該材料の転移温度、転移の潜熱および熱伝導率が関連する熱流束に好適であり、好適な材料の閉じ込めおよび適合性の技術が利用可能である限り、他の材料の吸熱性の相転移（固体−液体、液体−気体、固体−気体または固体−固体）が利用されてもよい。
【００２５】
具体的な実施例
図１Ａは、２つの光電子装置、感光装置および光電子放出装置を含み、そのうちのいずれかまたは両方がこの発明のいくつかの実施例に従って相変化材料（ＰＣＭ）の塊を用い得る例示的な構成を示す。矢印で示されるように、光子は、感光装置パッケージ１２におけるスクリーン８を通過してセンサ装置１６に当たる。センサ装置１６は、熱電冷却器４０の低温端部に熱的に結合される。熱電冷却器４０の高温端部は、熱放散装置（図示せず）に結合され得るか、または、例に示されるように感光装置１０の裏面１８に装着され得る。導線１４はセンサ装置１６と裏面１８との間に電流経路をもたらす。感光装置パッケージ１２はプリント配線板３０上に装着される。導線１４は、裏面１８と接触しているように示されているが、プリント配線板３０にワイヤボンディングされ得るか、フリップチップボンディングされ得るかまたは直接的に表面実装され得る。
【００２６】
光電子放出装置２０は、図１Ａに図示のとおり、別個の基板または同じプリント配線板３０上に装着されてもよい。光電子放出装置２０から出ている矢印の方向で示されるように、光子は、ＬＥＤ２６によって透明なケース２２を通じて放出される。導線２４は、ＬＥＤ２６と同期回路との間に電流経路をもたらす。導線２４は、中間面に接触しているように示されているが、プリント配線板３０にワイヤボンディングされ得るか、フリップチップボンディングされ得るかまたは直接的に表面実装され得る。ＬＥＤ２６の基部２８は、第２の熱電冷却器４２の低温端部に熱的に結合される。第２の熱電冷却器４２の高温端部は、この例では、相変化材料５０を閉じ込めるカプセル５２に熱的に結合されていることにより、相変化材料５０に熱的に結合される。代替的には、相変化材料５０は、液体状態である場合に相変化材料５０の表面張力がその流れを妨げている領域を形成することによって閉じ込められてもよい。
【００２７】
図１Ｂおよび図１Ｃは、この発明の実施例に従った相変化材料を用いるいくつかの装置構成とともに用いられ得るそれぞれの同期構成を示す。特に、図１Ｂおよび図１Ｃは、１つ以上の同期回路が感光装置および光電子放出装置の読出または励起をそれぞれの熱電冷却器の動作と随意に整合させるそれぞれの同期構成を示す。図１Ｂに図示のとおり、感光装置１０、たとえばＣＣＤまたはＣＭＯＳアレイ、および第１の熱電冷却器４０は第１の同期回路３２によって駆動され、光電子放出装置２０および第２の熱電冷却器４２は別個の同期回路３４によって駆動される。代替的には、図１Ｃに図示のとおり、感光装置１０および第１の熱電冷却器４０は、光電子放出装置２０および第２の熱電冷却器４２と同じ同期回路３６によって駆動されてもよい。図３に関連して以下により詳細に説明されるように、同期回路３２、３４および３６は、実質的に同時に、または他の相関係でそれぞれの装置を駆動し得る。
【００２８】
一般に、多種多様な同期回路またはメカニズムのいずれが用いられてもよい。このような同期回路またはメカニズムの好適な実現例は、典型的には特定用途向けであり、設計上の選択事項となる可能性がある。実際には、このような同期回路またはメカニズムの好適な実現例は高度なものから些末なものにまで及ぶ。たとえば、この発明に従った多くのデジタル撮像の活用例では、高度でプログラム可能なタイミング制御機能が日和見的に活用され得るが、これは、シャッタの制御、イメージャの移動、オートフォーカス処理、フラッシュの同期などのかなり要求の厳しいタイミング要件をサポートするのに既に利用可能であり得る。代替的には、いくつかの実現例においては、好適な同期は、単に、熱電流およびターゲット装置（たとえばＬＥＤ）の励起のために電流供給線または経路を直列または並列に結合することの副産物としてもたらされるかもしれない。この明細書中の記載および所与の活用例に利用可能な設計の代替例に基づき、当業者は好適な同期回路またはメカニズムを認識するだろう。
【００２９】
一般に、適切なターゲット装置（たとえば、ＬＥＤ）、関連するドライバ回路、パッケージ構成などの選択は設計上の選択事項であり、この明細書中に記載される熱電部および／または相変化材料の設計要因とは大部分が無関係である多数の応用例特有の制約および／または性能指数に準拠する。それにもかかわらず、この明細書中の記載に基づき、当業者は、この発明の技術を活用するために、現在または将来市販可能なそれら自体の構成、部分またはアセンブリについての好適な選択例および／または適合例を認識するだろう。これに関して、ルミレッズ・ライティング社（Lumileds Lighting U.S. LLC）およびクリー社（Cree, Inc.）を含むさまざまな商業的供給源から入手可能なＬＥＤは多くの活用例にとって好適である。一般に、熱電部および／または相変化材料への低熱インピーダンス経路を提供するかまたは可能にする装置および／または構成が所望される。パッケージングされていないＬＥＤ装置またはウェハ構成は熱設計に柔軟性を提供し得るが、但し、パッケージングされた好適な構成要素を用いることで回避され得るパッケージングやテストステップが追加されるといった代償が生じるおそれがある。ドライバ回路の選択は、選択される特定の装置に応じて異なり得る。
【００３０】
当然、商業上の要件と、これにより好適な装置選択とは応用例特有のものであり、特定の商業的な活用例に応じて異なり得る。結果として、当業者は、典型的には、製造業者または供給業者の規格または推奨を調査することとなる。これに関連して、この出願の出願日付けで、ルミレッズ・ライティング社が（そのウェブサイト、www.lumileds.comにおいて）（ドライバ集積回路の推奨例を含む）データシート、基準設計情報および適用例の概要を提供し、クリー社が（そのウェブサイト、www.cree.comにおいて）それぞれの製品についての（ダイ取付の推奨例を含む）規格および適用例の注釈を提供している。
【００３１】
図２は、この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて熱電部の高温側の温度をクランプする例示的な光電子放出装置構成を示す。光子は、ＬＥＤ２６によって透明なケース２２を通じて放出される。透明なケース２２はＬＥＤ２６のためのレンズとしての役割を果たして、放出された光のための焦点合わせ機能をもたらす。これは、従来のレンズとして示されているが、特に平坦な薄型レンズが所望される場合にはフレネルレンズであってもよい。ＬＥＤ２６の基部２８は、熱電冷却器４２の低温端部に熱的に結合される。熱電冷却器４２の高温端部は、相変化材料５０を閉じ込めるカプセル５２に熱的に結合される。導線２４は、ＬＥＤ２６と同期回路との間に電流経路をもたらす。導線２４は、中間面に接触しているように示されているが、プリント配線板３０にワイヤボンディングされ得るか、フリップチップボンディングされ得るかまたは直接的に表面実装され得る。ＬＥＤ２６が光を放出すると、２つのメカニズムによってＬＥＤ２６の付近に熱が生成される。第１に、ＬＥＤ２６を通って流れる電流がジュール加熱によって装置を加熱する。第２に、いくつかの光子が透明なケース２４によって反射されて、温室効果に類似のプロセスにおける熱としてＬＥＤ２６にそれらのエネルギを戻す。光電子放出装置２０の動作によって放出されるこの熱は、抑制されないままであれば将来の装置の性能を低下させる可能性がある。この構成においては、熱電冷却器４２は、光電子放出装置２０から離れて熱伝導経路の一部を規定する。光電子放出装置２０の過渡動作中に放出された実質的な量の熱が熱電冷却器４２を通って相変化材料５０に流れ込み、そこで吸収される。この過渡的な熱負荷に応答するための冷却システムの動作がここで図３を参照して説明される。
【００３２】
図３は、この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて熱電装置の高温側の温度をクランプしている図２に示されるような例示的な光電子放出装置構成における関連する電流および温度のプロファイルを示す。図３の上方のグラフは、図２の光電子放出装置２０および熱電冷却器４２を通る電流の時間的な変動を示し、下方のグラフは、当該システムにおける関連する温度変動を示す。電流パルス６０が熱電冷却器４２に送られて、その高温端部と低温端部との間に温度差を発生させる。下方のグラフを参照すると、
実線が示すように、熱電冷却器４２の低温端部の温度６６は高温端部の温度６８から逸れている。高温端部の温度が相変化材料５０の相転移温度（ＴPHASE CHANGE）に達すると、相変化材料５０は、第１の相から第２の相への相転移を被り始める。この熱転移中、相変化材料５０によって吸収される熱、たとえば、熱電冷却器４２の高温端部に熱的に結合することによって伝達されるかまたは光電子放出装置の動作によって放出される熱は、当該材料の相を変化させるためにだけ作用する。材料がすべて転移し終えるまで、相変化材料５０の温度はその相転移温度よりも高くなり得ない。グラフから分かるように、これにより、ＴPHASE CHANGEで熱電冷却器４２の高温端部の温度が有効にクランプされる。しかしながら、熱電冷却器４２の最大温度差ΔＴMAXに達するまで、電流が熱電冷却器４２に流れ続けて、当該装置の高温端部と低温端部との間により大きな温度差を発生させる。高温端部の温度がＴPHASE CHANGEでクランプされると、低温端部の温度が、周囲温度未満のＴMINにまで低下する。
【００３３】
図３の上方のグラフを参照すると、第２の電流パルス６２がＬＥＤ２６に送られて、熱電冷却器４２の低温端部の温度がＴMINに達するのとほぼ同時に光の放射を誘導する（下方のグラフにおける矢印６４）。上述のとおり、ＬＥＤ２６からの光の放射によって熱が放出され、この熱は、低温端部がＬＥＤ２６に熱的に結合されている熱電冷却器４２に伝達される。これにより低温端部の温度が上昇し始める。熱電冷却器４２への第１の電流パルス６０が停止すると、その高温端部と低温端部との間の温度差が低減する。というのも、ＴPHASE CHANGEにおいて依然として相変化材料５０に熱的に結合されている高温端部から低温端部に向かって熱が流れると低温端部の温度が上がるからである。下方のグラフが示すように、当該システムが平衡状態である場合、この例においては両方の端部がＴPHASE CHANGEに達すると熱電冷却器４２の高温端部と低温端部との間の温度差が０に戻る。この時点で、その相転移を続けるのに相変化材料５０が利用できる熱がそれ以上存在せず、相転移が停止する。相変化材料５０および熱電冷却器４２がともにそれらの周囲に比べて高い温度であるので、熱が引き続きそこから放出される。これが相転移を反転させる。反転相転移により熱が放出され、当該熱は、反転相転移が完了し、相変化材料５０をその元の相に戻すまで、当該システムのより低温の部分の方に伝達されて、ＴPHASE CHANGEにおいて相変化材料５０の温度（およびこれにより熱電冷却器４２の温度）をクランプする。反転相転移が完了した後、相変化材料５０（および、これにより熱電冷却器４２）の温度はＴPHASE CHANGEよりも低く下がる可能性があり、当該システムはその平衡温度にまで冷え続ける。次いで、当該プロセスを所望のとおり繰返してもよい。
【００３４】
図４は、この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて熱電装置の高温側の温度をクランプする例示的な感光装置構成を示す。光子が感光装置パッケージ１２におけるスクリーン８を通過してセンサ装置１６に当たる。導線１４は、センサ装置１６とパッケージ１２との間に電流経路をもたらす。導線１４は、裏面１８と接触しているように示されているが、プリント配線板３０にワイヤボンディングされ得るか、フリップチップボンディングされ得るかまたは直接的に表面実装され得る。センサ装置１６は、熱電冷却器４０の低温端部に熱的に結合される。熱電冷却器４０の高温端部は、相変化材料７０を閉じ込めるカプセル７２に熱的に結合される。この構成においては、熱は、熱電冷却器４０によって規定される経路に少なくとも部分的に沿って光電子装置から流れ去る。熱は、光電子装置から熱電冷却器４０を通って相変化材料７０に流れ、ここで、そのうちの実質的な量が吸収される。相変化材料７０は、図３に関連して上述されるとおり、相変化材料７０の相転移温度で熱電冷却器４０の高温端部の温度をクランプする。こうして、動作中に熱電冷却器４０にわたって生じたほとんどの温度差が、センサ装置１６に熱的に結合されている熱電冷却器４０の低温端部の温度の低下として現れることとなる。
【００３５】
図５は例示的な光電子放出装置構成を示し、ここでは、この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて、その過渡動作中に光電子放出装置によって放出される熱
を吸収し、さらに、熱電部を用いて相変化材料の塊を冷却する。光子は、ＬＥＤ２６によって透明なケース２０を通じて放出される。ＬＥＤ２６の基部２８は、相変化材料５０を閉じ込めるカプセル５２に熱的に結合され、当該カプセル５２は、熱電冷却器４２の低温端部に熱的に結合される。熱電冷却器４２の高温端部は、熱放散装置（図示せず）に結合され得るか、または、その周囲に直接熱を伝達し得る。導線２４はＬＥＤ２６と同期回路との間に電流経路をもたらす。導線２４は、中間面に接触しているように示されているが、プリント配線板３０にワイヤボンディングされ得るか、フリップチップボンディングされ得るかまたは直接的に表面実装され得る。ＬＥＤ２６が光を放出すると、図２を参照して上述されるとおり、熱がＬＥＤ２６付近で生成される。この構成においては、熱電冷却器４２は、相変化材料５０から離れて熱伝導経路の一部を規定する。光電子放出装置２０の過渡動作中に放出された実質的な量の熱が相変化材料５０を通って流れてそこで吸収される。過渡的な熱負荷が取除かれると、熱が相変化材料５０から熱電冷却器４２に流れ込む。この過渡的な熱負荷に応答する冷却システムの動作を図６を参照して説明する。
【００３６】
図６は、図５に示されるような例示的な光電子放出装置構成における関連する電流および温度のプロファイルを示す。ここでは、この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて、その過渡動作中に光電子放出装置によって放出される熱を吸収する。図６の上方のグラフは、図５の光電子放出装置２０および熱電冷却器４２を通る電流の時間的な変動を示し、下方のグラフは、当該システムにおける関連する温度の変動を示す。電流パルス６２がＬＥＤ２６に送られて、光の放射を誘導する（下方のグラフにおける矢印６４）。ＬＥＤ２６の動作中に放出された熱が相変化材料５０の温度を上昇させる。図３を参照して上述したとおり、相変化材料５０の温度がその相転移温度（ＴPHASE CHANGE）に達すると、相変化材料５０が第１の相から第２の相への相転移を被り始める。ＬＥＤ２６が点滅するのとほぼ同時に、第２の電流パルス６０が熱電冷却器４２に送られて、その高温端部と低温端部との間に温度差を発生させる。下方のグラフを参照すると、実線が示すように、熱電冷却器４２の低温端部の温度６６が高温端部の温度６８から逸れている。相変化材料５０に熱的に結合された熱電冷却器４２の端部、この場合には低温端部、の温度は、相転移が完了するまでＴPHASE CHANGEでクランプされる。このため、動作中に熱電冷却器４２にわたって生じた温度差のほとんどが、熱電冷却器４２の高温端部の温度の上昇として現れることとなる。電流が熱電冷却器４２に流れ続けて、低温端部において、このため相変化材料５０から熱を吸収する。吸熱性の相転移が停止し、次いで、熱電冷却器４２の動作により熱が相変化材料５０から伝達されると、相転移が反転して熱を発生させる。この熱は、その低温端部を通じて熱電冷却器４２に伝達される。反転相転移が終了した後、相変化材料５０（および、これにより熱電冷却器４２の低温端部）の温度がＴPHASE CHANGEよりも低下し得る。熱電冷却器４２の低温端部の温度がもはやクランプされず、電流が熱電冷却器４２を通って流れる場合、熱電冷却器４２の高温端部と低温端部との間に十分な温度差が生じ、低温端部の温度が周囲温度よりも低くなる。熱電冷却器４２への電流パルス６０が停止すると、低温端部と高温端部との間の温度差が小さくなる。というのも、高温端部が冷え、低温端部の温度が周囲温度にまで上昇するからである。システムが平衡状態に戻ると、プロセスを繰返すことができる。
【００３７】
図７は、図５に示されるような別の例示的な光電子放出装置構成における関連する電流および温度のプロファイルを示す。ここでは、この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて、その過渡動作中に光電子放出装置によって放出される熱を吸収する。図７の上方のグラフは、図５の光電子放出装置２０および熱電冷却器４２を通る電流の時間的な変動を示し、下方のグラフは、当該システムにおける関連する温度の変動を示す。この構成においては、周囲温度は、概して、相変化材料５０の相転移温度（ＴPHASE CHANGE）よりも高く、このため、フラッシュの要求が受取られると、光電子放出装置（図５における２０）の動作を予期して相変化材料５０を予め冷却するために、電流パルス６０を熱電冷却器４２に送ってその高温端部と低温端部との間に温度差を発生させる。下方の
グラフを参照すると、実線が示すように、熱電冷却器４２の低温端部の温度６６は高温端部の温度６８から逸れている。相変化材料５０に熱的に結合された熱電冷却器４２の端部、この場合は低温端部、の温度は、相転移が完了するまでＴPHASE CHANGEでクランプされる。電流が熱電冷却器４２に流れ続け、低温端部において、このため相変化材料５０から熱を吸収する。熱電冷却器４２の低温端部が所望の温度に達すると、熱電冷却器４２への電流が止まり、熱電冷却器４２の高温端部の温度が、システムの周囲温度に達するまで下がり始める。ほぼ同時に、電流パルス６２がＬＥＤ２６に送られて、光の放射を誘導する（下方のグラフにおける矢印６４）。ＬＥＤ２６の動作中に放出された熱が相変化材料５０に吸収されると、その温度が、まずその転移温度にまで上昇し、次いで、その吸熱性の相転移の完了後に当該システムの周囲温度にまで上昇する。熱電冷却器４２の低温端部の温度が相変化材料５０の温度に追従し、最終的にシステムの周囲温度に戻る。次のフラッシュの要求が受取られるとこのシーケンスが繰返され得る。
【００３８】
図８は例示的な光電子放出装置構成を示し、この場合、この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて、その過渡動作中に光電子放出装置によって放出された熱を吸収し、これにより、光電子放出装置の温度を適度なものにする。光子が、レーザダイオード８６によって透明なケース８２を通じて放出される。導線８４が、レーザダイオード８６と同期回路との間に電流経路をもたらす。導線８４は、中間面に接触しているように示されているが、プリント配線板３０にワイヤボンディングされ得るか、フリップチップボンディングされ得るかまたは直接的に表面実装され得る。レーザダイオード８６の基部８８は、たとえば、相変化材料９０を閉じ込めるカプセル９２に熱的に結合されていることによって、相変化材料９０に熱的に近接している。レーザダイオード８６が光を放射すると、図２および図５を参照して上述されたように、レーザダイオード８６の近傍に熱が生成される。レーザダイオード８６の動作中に放出された熱が相変化材料９０の温度を上昇させる。図３および図６に関連して上述されたように、相変化材料９０の温度がその相転移温度（ＴPHASE CHANGE）に達すると、相変化材料９０は第１の相から第２の相への相の転移を被り始める。相転移が完了するまで、レーザダイオード８６の温度はＴPHASE CHANGEでクランプされる。レーザダイオード８６が放射するのを止めると直ちに、熱がそれ以上放出されず、相転移が遅くなって停止する。相変化材料９０およびそれに熱的に結合されたレーザダイオード８６の温度が周囲に対して上昇し、このため、反転相転移が開始されるまで熱が相変化材料９０から伝達される。熱は、反転相転移が完了するまで相変化材料９０から伝達され続け、相変化材料９０と、これにより、それに熱的に結合されたレーザダイオードとの温度がその平衡値または周囲温度に戻る。
【００３９】
図９および図１０は、熱電冷却器、相変化材料および光電子放出装置の例示的な配置を示す。図９においては、基板１０２においてピットをエッチングし、当該ピットを相変化材料１０４で（典型的には含有物を避けるために真空下で）充填し、金属の層１０６を堆積させることによって相変化材料を封じ込めることによって、相変化材料（ＰＣＭ）モジュール１００が形成される。他の好適なカプセルとして、ポリテトラフルオロエチレン（デュポン（DuPont）（デラウエア州ウィルミントン）によりテフロン（登録商標）として販売されるＰＴＦＥ）、および関連するポリマー、パリレン、または層構造のパリレンおよびエアロゲルが含まれる。「パリレン」は、パラキシレンおよびその置換誘導体に基づいた一連のポリマーの一般名である。パリレンＮまたはポリ（パラキシレン）は、パリレンＣまたはポリ（モノクロロ・パラキシレン）およびパリレンＤまたはポリ（ジクロロ・パラキシレン）よりも融点が比較的高い。パリレンＡＦ−４とも称されるパリレンＦは、ポリ（テトラフルオロ・パラキシレン）であり、パリレンＮよりも誘電率が低く、熱的安定性が高い。一般に、このようなカプセルを図１０に示されるような構成で用いて、封じ込められた相変化材料の膨張（および収縮）に耐性のある熱的分離および封じ込めをもたらす。
【００４０】
図９を参照すると、ＰＣＭモジュール１００は、次いで、熱電冷却器（ＴＥＣ）アセンブリ１２０の裏側１３０に接合され、断熱層１３０を通る熱伝導プラグ１２８を介してＴＥＣ１２２の高温側１２６に熱的に接触する。光電子放出装置２０は、ここでは横方向の熱電冷却器として示されるＴＥＣ１２２の低温端部に熱的に結合された熱伝導パッド１２４上に装着される。
【００４１】
図１０は、ＰＣＭモジュールが熱電冷却器の低温端部に熱的に接触している構成を示す。基板１０２においてピットをエッチングし、相変化材料１０４でピットを充填し、断熱材料、たとえばＰＴＦＥ、パリレンまたは層構造のパリレンおよびエアロゲル、の層２０８を堆積させることにより相変化材料を封じ込めることによって、ＰＣＭモジュール２００が形成される。金属のボンディング層２０６が断熱材の上に堆積する。金属の層２３２が第２の基板２３４の裏側に堆積し、当該第２の基板２３４の前側は、断熱層１３０を通る熱伝導プラグ１２８を介してＴＥＣ１２２の高温側１２６に熱的に接触する。ＴＥＣの低温端部は、ＴＥＣアセンブリ２２０の初期製造時または接合動作によって、低温パッド１２４に接触する。当該低温パッド１２４はＰＣＭモジュール２００に接合される。ＴＥＣアセンブリ２２０およびＰＣＭモジュール２００はともに、安定させるためにプラットフォーム２４０上に装着される。次いで、光電子放出装置２０が熱伝導パッド１２４上に装着され得る。
【００４２】
ＰＣＭモジュールを形成する別の方法が図１１Ａ〜図１１Ｅに示される。穴の開いたホイル３１０が基部ホイル３２０の上に配置され、接合されてウェル３１５を形成する。相変化材料３３０がウェル３１５に加えられる。空気が入り込むのを避けるために真空下でウェルを充填することが有利であり得る。ウェル３１５は、充填された後、上部ホイル３４０によって覆われる。３つのホイル層３１０、３２０および３４０を接合して、ＰＣＭモジュール３００内部に相変化材料３３０を封じ込める。
【００４３】
一般的な熱電部
この発明の実施例は特定のいかなる熱電モジュールまたは装置構成にも限定されないが、いくつかの例示的な構成が高度な薄膜熱電部の文脈において理解されるだろう。したがって、単に説明を追加する目的で、熱電部、熱電要素、熱電装置、熱電構造、熱電対、熱電モジュールなどを記載するこの明細書中のいかなる特許請求の範囲にも収まる広範な熱電構成に限定せず、出願人は、発明者としてゴーシャル（Ghoshal）、ガイ（Ngai）、サマベダム（Samavedam）、イー（Ye）およびマイナー（Miner）が挙げられ２００５年５月６日に出願され「熱電装置構造およびこれを組込んだ機器（″THERMOELECTRIC DEVICE STRUCTURE AND APPARATUS INCORPORATING SAME″）」と題された共有の米国特許出願第１１／１２４，３６５号の開示を引用することによってこの明細書中に援用している。
【００４４】
一般的な相変化材料
実質的にすべての材料が温度による相変化を被るが、いわゆる「相変化材料」またはＰＣＭは、所与の応用例において有用な範囲の転移温度を有する。たとえば、着用者にとって快適な温度を維持するのに役立つ屋外用の衣服に用いられ２８℃〜３７℃で溶解するポリマーおよびワックスがいくつかの活用例において用いられてもよい。ガリウムのような純元素、および水のような化合物は厳密な相転移を呈し、たとえば正確な温度で溶解する。しかしながら、合金および溶液は、しばしば、ある温度範囲にわたる液体状態と個体状態との間での相転移を完了する。９５重量％のガリウムと５重量％のインジウムとを含む合金は、その固相線温度である１５．７℃よりも高く加熱されると溶解し始める。合金がさらに加熱されると、液相および固相が共存し、それらの組成が絶えず変化するが、全体的な組成は一定のままである。当該合金が２５℃に加熱されると、固相材料がすべて溶解し、液体合金は均一な組成を有する。共晶組成は、固相線温度と液相線温度とが同じである合金組成であり、このため純元素のように作用し、厳密な融点を有する。
【００４５】
ＰＣＭの関連する設計特性は、転移温度範囲、ＰＣＭを用いることのできる温度範囲、転移の潜熱、熱伝導率および熱容量を含み、所与の温度範囲にわたって材料に蓄積され得るエネルギの基準であり、材料の密度と相互に関連している。概して、この明細書中の記載に基づき、当業者は、所与の応用例についての適切なＰＣＭを選択することができるだろう。ＰＣＭはいくつかの供給源から市販されている。主要なクラスのＰＣＭは、ワックス、ポリマー、水和塩、および液体金属合金を含む。表１は、各々の主要なクラスからの例を含むＰＣＭのいくつかの例を示す。
【００４６】
ワックスは、主として低温の応用例のために用いられる。ワックス組成は、転移温度のほぼ連続的な分布のために開発された。これらは典型的には密度が低く、このため熱容量が低いが、それらが軽量であることはいくつかの応用例にとって有用であり得る。ワックスについては熱伝導率も低い。ポリマーは典型的には熱伝導率が低く、潜熱も低いが、形成するのが比較的容易であり、多くの閉じ込め材料に適合している。水和塩は、より高温の応用例に対してはワックスよりも適しているが、これらも熱伝導率が低い。これらの無機塩は比較的安価であり、たとえば応急の低温パックおよび高温パックにしばしば用いられる。
【００４７】
金属および合金は、水銀の融点である約−３９℃から２００℃をはるかに上回る温度の温度範囲で用いられてもよい。ガリウムは、多くの電子装置に対するおおよその動作温度であるちょうど３０℃未満で溶解する。金属のＰＣＭは典型的には熱伝導率が高く、融解の潜熱が大きい。一般に、これらは他のクラスのＰＣＭよりも密度が数倍も高く、これは、より高い蓄熱容量の一因となる。その他の場合にＰＣＭとして有用であるいくつかの合金は、カドミウムおよび鉛などの環境的に魅力的でない要素を含む。それにもかかわらず、これらの合金と、さらには元素水銀とはいくつかの応用例に好適であり得る。一般に、表１に示されるようなガリウム・インジウム合金は、融点、高い熱伝導率および高い融解潜熱の魅力的な組合せを提供する。
【００４８】
【表１】
2008518513.tif 000003
【００４９】
概して、さまざまな相変化材料はいずれも、ここに記載される構造および構成とともに用いられてもよい。しかしながら、ここに例示される構成のうちの少なくともいくつかについて、金属および金属合金は、例示された構成の形成、パッケージングおよび／または組立に用いられ得る材料、温度および／またはプロセス技術との特性および適合性の魅力的な組合せを提供する。概して、予想される周囲温度以上の相転移点を有する相変化材料は、熱の緩和と、熱電部の高温端部または冷却された端部における材料の塊を用いる熱電構成とに対して好適である。予想される周囲温度以下の転移点を有する相変化材料は、概して、熱電部の冷却された端部における材料の塊を予め冷却する熱電構成に対して好適であるだろう。
【００５０】
いくつかの実現例においては、相変化材料の塊は、相転移中に核形成部位をもたらすために投入された付加的な材料を含み得る。いくつかの実現例においては、相変化材料の塊は、相転移中に相変化材料の膨張および収縮に関連付けられる応力を軽減するよう圧縮可能な材料または構造（たとえば、小さなポリスチレンのボールなど）であってもよい。
【００５１】
他の実施例
この発明はさまざまな実現例および活用例に関連して説明されているが、これらの実施例が例示的なものであり、この発明の範囲がこれらに限定されないことが理解されるだろう。多くの変形例、変更例、追加例および改善例が可能である。たとえば、さまざまなパッケージング構成が例示されているが、この発明の活用例は、例示されたいかなる特定の放射センサまたは熱電装置のパッケージングにも対応していなくてもよい。概して、物理的な構成のパッケージングおよび他の局面は設計上の選択事項であり、必要に応じて、応用例、市販の装置および／または市場の制約に適合され得る。
【００５２】
単一の例としてこの明細書中に記載された構成要素、動作または構造について複数の例が提供され得る。最終的に、さまざまな構成要素と特定の動作との間の境界が、特定の例示的な構成の文脈において説明される。他の機能の割当てが構想され、この発明の範囲内に収まり得る。概して、例示的な構成において別個の構成要素として示されている構造および機能は、組合された構造または構成要素として実現されてもよい。同様に、単一の構成要素として示される構造および機能は別個の構成要素として実現されてもよい。これらおよび他の変形例、変更例、追加例および実現例はこの発明の範囲内に収まり得る。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１Ａ】感光装置および光電子放出装置をともに含み、これらのうちのいずれかまたは両方がこの発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用い得る例示的な構成を示す図である。
【図１Ｂ】この発明の実施例に従って相変化材料を用いるいくつかの装置構成とともに用いられ得るそれぞれの同期構成を示し、特に、１つ以上の同期回路が、感光装置および光電子放出装置の読出または励起をそれぞれの熱電冷却器の動作と随意に整合させるそれぞれの同期構成を示す図である。
【図１Ｃ】この発明の実施例に従って相変化材料を用いるいくつかの装置構成とともに用いられ得るそれぞれの同期構成を示し、特に、１つ以上の同期回路が、感光装置および光電子放出装置の読出または励起をそれぞれの熱電冷却器の動作と随意に整合させるそれぞれの同期構成を示す図である。
【図２】この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて熱電部の高温側の温度をクランプする例示的な光電子放出装置構成を示す図である。
【図３】この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて熱電部の高温側の温度をクランプする、図２に示されるような例示的な光電子放出装置構成における関連する電流および温度のプロファイルを示す図である。
【図４】この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて熱電部の高温側の温度をクランプする例示的な光電子放出装置構成を示す図である。
【図５】この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いてその過渡動作中に光電子放出装置によって放出される熱を吸収し、熱電部を用いて相変化材料の塊を冷却する例示的な光電子放出装置構成を示す図である。
【図６】この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて、その過渡動作中に光電子放出装置によって放出される熱を吸収する、図５に示されるような例示的な光電子放出装置構成における関連する電流および温度のプロファイルを示す図である。
【図７】この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて、その過渡動作中に光電子放出装置によって放出される熱を吸収する、図５に示されるような例示的な光電子放出装置構成における関連する電流および温度のプロファイルを示す図である。
【図８】この発明のいくつかの実施例に従って相変化材料の塊を用いて、その過渡動作中に光電子放出装置によって放出された熱を吸収し、これにより、光電子放出装置の温度を適度なものにする例示的な光電子放出装置構成を示す図である。
【図９】熱電冷却器および相変化材料の塊を用いる光電子放出装置のための例示的な冷却構成を示す図である。
【図１０】熱電冷却器および相変化材料の塊を用いる光電子放出装置のための例示的な冷却構成を示す図である。
【図１１Ａ】さまざまな組立て段階における相変化材料の塊を含むモジュールの実施例を示す図である。
【図１１Ｂ】さまざまな組立て段階における相変化材料の塊を含むモジュールの実施例を示す図である。
【図１１Ｃ】さまざまな組立て段階における相変化材料の塊を含むモジュールの実施例を示す図である。
【図１１Ｄ】さまざまな組立て段階における相変化材料の塊を含むモジュールの実施例を示す図である。
【図１１Ｅ】さまざまな組立て段階における相変化材料の塊を含むモジュールの実施例を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年4月24日(2007.4.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器であって、
光電子装置と、
前記光電子装置に熱的に結合された熱電冷却器とを含み、前記熱電冷却器は、前記熱電冷却器の過渡的な冷却動作を前記光電子装置のポイントインタイム（point in time）動作と実質的に同期させるよう作動的に結合される、機器。
【請求項２】
前記光電子装置はセンサ装置を含み、前記ポイントインタイム動作は、光子束への前記センサ装置の応答のサンプリングを含む、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記センサ装置は、
電荷結合素子（ＣＣＤ）と、
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサとのうちの１つ以上を含む、請求項２に記載の機器。
【請求項４】
前記光電子装置は放射装置を含む、請求項１に記載の機器。
【請求項５】
前記ポイントインタイム動作は放射を含む、請求項４に記載の機器。
【請求項６】
前記ポイントインタイム動作が、
前記放射装置を通る電流の消散と、
前記放射装置の励起とのうちの１つまたは両方を含む、請求項４に記載の機器。
【請求項７】
前記放射装置が、
発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
半導体レーザとのうちの１つ以上を含む、請求項４に記載の機器。
【請求項８】
前記実質的な同期をもたらすよう結合される同期回路をさらに含む、請求項１に記載の機器。
【請求項９】
前記光電子装置および前記熱電冷却器は、そこを通る電流の流れが電力を供給し、前記熱電冷却器の過渡的な冷却動作を前記光電子装置のポイントインタイム動作と実質的に同期させるように、電気的に直列に結合される、請求項１に記載の機器。
【請求項１０】
前記光電子装置および前記熱電冷却器は、これらに供給される関連する電圧が電力を供給し、前記熱電冷却器の過渡的な冷却動作を前記光電子装置のポイントインタイム動作と実質的に同期させるように、電気的に並列に結合される、請求項１に記載の機器。
【請求項１１】
前記熱電冷却器は、前記ポイントインタイム動作を予期して、前記光電子装置を予め冷却し、それに結合された相変化材料の塊を予め転移させるよう過渡的に動作可能である、請求項１に記載の機器。
【請求項１２】
前記熱電冷却器は、前記光電子装置のポイントインタイム動作によって放出される熱をそこに伝達するよう過渡的に動作可能である、請求項１に記載の機器。
【請求項１３】
実質的に同期された過渡的な冷却動作は、少なくとも前記ポイントインタイム動作中に冷却力を前記光電子装置に伝える、請求項１に記載の機器。
【請求項１４】
前記実質的に同期された過渡的な冷却動作は、前記ポイントインタイム動作の前に冷却力を前記光電子装置に伝える、請求項１に記載の機器。
【請求項１５】
前記光電子装置から前記熱電冷却器への熱伝導経路を少なくとも部分的に規定する相変化材料の塊をさらに含む、請求項１に記載の機器。
【請求項１６】
前記熱電冷却器の過渡的な冷却動作の結果として、前記相変化材料のうちの少なくとも一部が、その第１の相からその第２の相への転移を被る、請求項１５に記載の機器。
【請求項１７】
前記光電子装置の放射動作の結果として、前記相変化材料のうちの少なくとも一部がその前記第２の相から前記第１の相への転移を被る、請求項１６に記載の機器。
【請求項１８】
第２の相から第１の相への転移を被る前記相変化材料が、前記光電子装置の放射動作によって放出される熱の実質的な部分を吸収する、請求項１７に記載の機器。
【請求項１９】
前記過渡的な冷却動作が少なくとも部分的に前記放射動作より前に起こる、請求項１７に記載の機器。
【請求項２０】
前記過渡的な冷却動作が少なくとも部分的に前記放射動作の後に起こる、請求項１７に記載の機器。
【請求項２１】
相変化材料の塊をさらに含み、前記熱電冷却器は、前記光電子装置から前記相変化材料への熱伝導経路を少なくとも部分的に規定する、請求項１に記載の機器。
【請求項２２】
前記熱電冷却器の過渡動作中に、前記熱電冷却器の側部に面する相変化材料の温度が、前記相変化材料のための変換の潜熱に基づいて実質的にクランプされる、請求項２１に記載の機器。
【請求項２３】
前記熱電冷却器の過渡動作中に、前記相変化材料のうち少なくとも一部が、その第１の相からその第２の相への転移を被る、請求項２１に記載の機器。
【請求項２４】
転移を被る前記相変化材料が、その過渡動作中に前記熱電冷却器にわたって伝達される熱の実質的な部分を吸収する、請求項２３に記載の機器。
【請求項２５】
転移を被る前記相変化材料が、前記光電子装置のポイントインタイム動作によって放出される熱の実質的な部分を吸収する、請求項２３に記載の機器。
【請求項２６】
前記光電子装置を含む光電子装置のアレイをさらに含み、前記熱電冷却器は前記アレイに熱的に結合される、請求項１に記載の機器。
【請求項２７】
前記熱電冷却器は、周囲温度よりも低く前記光電子装置を冷却するよう過渡的に動作可能である、請求項１に記載の機器。
【請求項２８】
光電子装置を、それに熱的に結合される熱電冷却器を用いて過渡的に冷却するステップと、
前記過渡的な冷却を前記光電子装置のポイントインタイム動作と実質的に同期させるステップとを含む、方法。
【請求項２９】
少なくとも前記光電子装置のポイントインタイム動作中に前記過渡的な冷却を実行するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
少なくとも部分的に前記光電子装置の放射またはサンプリング動作の前に前記過渡的な冷却を実行するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記光電子装置はセンサ装置を含み、
前記実質的に同期された動作は、光子束への前記センサ装置の応答をサンプリングするステップを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記過渡的な冷却は、前記光電子装置の温度を周囲温度よりも低く下げる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記光電子装置は放射装置を含み、
前記放射装置の実質的に同期された動作が熱を放出する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記過渡的な冷却中に、放出された熱の実質的な部分を前記熱電冷却器にわたって伝達するステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記熱電冷却器の一方側の温度を、それに熱的に結合された相変化材料の変換の潜熱に基づいて実質的にクランプするステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
過渡動作中に前記熱電冷却器にわたって伝達される熱の実質的な部分を相変化材料の変換に吸収するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３７】
前記光電子装置の実質的に同期された動作によって放出される熱の実質的な部分を相変化材料の変換に吸収するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３８】
前記ポイントインタイム動作の前に、相変化材料の塊を予め変換するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３９】
機器であって、
光電子装置と、
前記光電子装置に熱的に結合された熱電冷却器と、
前記熱電冷却器の過渡的な冷却動作を前記機器のポイントインタイム動作と実質的に同期させるよう結合された同期回路とを含む、機器。
【請求項４０】
前記ポイントインタイム動作は、前記光電子装置の放射動作を含む、請求項３９に記載の機器。
【請求項４１】
前記ポイントインタイム動作は、前記光電子装置のサンプリング動作を含む、請求項３９に記載の機器。
【請求項４２】
前記過渡的な冷却動作は、少なくとも部分的に前記光電子装置の放射またはサンプリング動作より前に起こり、
前記ポイントインタイム動作は、前記光電子装置の状態をサンプリングまたは放射する準備を引起こす、請求項３９に記載の機器。
【請求項４３】
熱電冷却器を用いて光電子装置を過渡的に冷却するステップを含む方法であって、
少なくとも部分的に前記光電子装置のポイントインタイム動作の前に、および前記ポイントインタイム動作を予期して前記過渡的な冷却が実行される、方法。
【請求項４４】
前記過渡的な冷却に関連して、前記光電子装置に熱的に結合された相変化材料をその第１の相からその第２の相に予め転移させるステップをさらに含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記光電子装置の状態をサンプリングするかまたは放射する準備を引起こす動作と前記過渡的な冷却とを実質的に同期させるステップをさらに含む、請求項４３に記載の方法。
【国際調査報告】
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