CN105121954A - 用于构造一种通用照明设备的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供一种固态照明设备(SSL)及其制造方法，通过位于对准平台上的安装面与SSL照明设备壳体的精确对准，该SSL具有增强的效能。安装面具有可调的对准角度以从关联的光学模块向待照明的表面提供期望的光输出。对准平台可以是压印的并且由金属板形成，并且与SSL照明设备壳体相连接。散热器、光学模块以及相关联的电子设备可以与安装面连接。在某些实施例中，光学模块可以与安装面通过万向螺钉连接。

Description

用于构造一种通用照明设备的方法和装置

背景技术

与基于传统光源的那些照明设备相比，基于发光二极管(LED)的照明设备，或者称为固态发光设备(SSL)的市场份额正持续增加。SSL照明设备利用了LED固有优势，例如，效率高、寿命长、机械耐用性好，并且不使用危险毒素，例如汞。

SSL照明设备大体上需要使用多个LED以实现期望的光线亮度和形状，而传统的照明设备通常仅仅需要一个单独的照明设备，例如金属卤化物灯泡。此外，这种传统照明设备会以接近全方向的方式发光，然而大功率LED会以接近单方向的方式发光，大体上呈朗伯辐射模式。为了成本上最有效地利用每个LED的光输出，每个LED的对准和光束范围应该逐个地或者以非常小的组被控制。对准可以通过将LED安装在导热的印刷电路板(PCB)而被有效地实现，该印刷电路板随后被安装在铸造、模制、挤压或者机械加工的对准平台上。这一平台同样提供散热器，以便冷却LED并且使它们保持在适当的工作温度上。尽管铸造或者模制的对准平台在光学上和热力学上是有效的，并且对于大规模地生产也是经济合算的，但这些生产方法限制了在改变LED的对准点上的灵活性。模具的高成本使得铸件仅能提供固定的光图案。由于挤压工艺的特性，挤压本身不能提供足够数量的合理对准点。对准平台的机械加工可以提供足够的对准点，可以具有非常高的热效率并且必然允许从一个机械零件到下一个的对准点的改变的灵活性，但是一般不符合成本效益，即使适度的生产量。

发明内容

本发明认识到具有多个光线必须透射通过的表面会降低照明设备的整体性能。本发明多个实施例提供的照明设备的几个实施例可使用更为成本有效的技术来构造，并且提供具有产量可调的对准点的LED的对准和冷却。这种SSL照明设备可被经济地制造，然而仍然允许期望的光线形状在高效和经济生产的基础上被改变。

根据一个方面，提供一种固态照明装置。该装置通常包括壳体，与壳体连接并且包括多个安装平台的对准平台，该多个安装平台的至少一个子集具有可调安装面，并且多个光学模块与多个安装平台连接。举例来说，该多个安装面相对于被该装置照亮的表面可具有多个不同的安装角度。在某些实施例中，对准平台由单片材料组成，其可以包括导热的材料片。在某些实施例中，单个材料片是铝片，其可以被切割成需要的宽度和长度而且包括多个翼片，其可被弯曲成预定的角度以形成安装平台。

在某些实施例中，多个光学模块的至少一个子集包括两个或更多与印刷电路板(PCB)连接的LED，并且PCB可被安装在相关联的安装平台上。在其他实施例中，安装平台的至少一个子集包括被配置成将热量从相关联的LED转移出去的散热器。在一些实施例中，一个或多个光学模块还可以包括相应的透镜或者辅助光学部件。

根据另一个方面，提供另一个种固态照明设备装置。该装置通常包括壳体，与壳体连接的对准平台，以及与对准平台连接的多个光学模块，该多个光学模块的至少一个子集包括调节元件，其被配置成允许相应的光学模块相对于对准平台以可调节的角度发射光线。对准平台可以包括，例如，多个安装平台，安装平台的至少一个子集具有可调安装面。光学模块可被配置成相对于对准平台以一些不同角度发射光线。在一些实施例中，该对准平台由单张材料片组成。在一些实施例中，调节元件可以包括万向螺钉。在又一实施例中，光学模块的至少一个子集可以包括与印刷电路板(PCB)连接的两个或更多LED以及散热器，并且散热器被安装在相关联的调节元件，例如，万向螺钉上。

前述已经相当广泛地概述了根据本发明实施例的特征和技术优势，以便随后的详细说明可以更好地被理解。在下文中将描述其它的特征和优势。为实现与本发明目的相同的改变或者设计其他结构，本发明的构思和具体例子可被容易地作为基础使用。此类等效结构没有脱离附加权利要求的精神和范围。被认为是本发明公开的构思为特点的技术特征，包括其构造和操作方法，连同相关联的优点将会在以下描述结合附图考虑时得到更好的理解。提供每个附图仅是为了图示和说明的目的，而不是作为权利要求限制的定义。

附图说明

通过参考以下附图可更进一步的了解到本发明的特征和优点。在附图中，类似的元件或者特征具有相同的附图标记。更进一步，同样类型的不同元件可能通过在参考标记后跟随用于区分相似组件的破折号和第二标记的方式进行区分。

图1是根据不同实施例的SSL照明设备的底部透视图；

图2是根据不同实施例的SSL照明设备的顶部透视图；

图3是根据不同实施例的另一个SSL照明设备的顶部透视图；

图4是根据不同实施例的另一个SSL照明设备的底部透视图；

图5是图4的一部分的详解图；

图6是根据不同的实施例的对准平台的示意图；

图7是根据不同的实施例的对准平台的另一个示意图；

图8是根据不同实施例的光学模块的正面透视图；

图9是根据不同实施例的光学模块的背面透视图；

图10是根据不同实施例的对准平台的顶部透视图；

图11是根据不同实施例的对准平台的底部透视图；

图12是根据不同实施例的不具有光学模块或者散热元件的对准平台的顶部透视图；

图13是根据不同实施例的不具有光学模块或者散热元件的对准平台的底部透视图；

图14是根据不同实施例的SSL照明设备壳体的顶部透视图；

图15是根据不同实施例的SSL照明设备壳体的底部透视图；

图16是根据不同实施例的另一个对准平台的顶部透视图；

图17是根据不同实施例的另一个对准平台的底部透视图；

图18是根据不同实施例的另一个SSL照明设备壳体的顶部透视图；

图19是根据不同实施例的另一个SSL照明设备壳体的底部透视图；

图20是根据不同实施例的另一个SSL照明设备壳体的侧面图；

图21是根据不同实施例的另一个SSL照明设备壳体的顶部透视图；

图22是根据不同实施例的另一个SSL照明设备壳体的底部透视图；

图23是根据不同实施例的另一个SSL照明设备壳体的侧面图；

图24是根据不同实施例的另一个SSL照明设备壳体的顶部透视图；

图25是根据不同实施例的另一个SSL照明设备壳体的底部透视图；

图26是根据不同实施例的另一个SSL照明设备的侧视图；

图27是根据不同实施例的另一个对准平台的顶部透视图；

图28是根据不同实施例的另一个对准平台的底部透视图；

图29是根据不同实施例的SSL光学模块的顶部透视图；

图30是根据不同实施例的SSL光学模块的底部透视图；

图31是根据不同实施例的SSL光学模块的底部平面图；

图32A是根据不同实施例的SSL光学模块的侧视图；

图32B是图32A的SSL光学模块沿着A-A区域的剖视图；

图33是根据不同实施例的SSL光学模块的顶部透视图；并且

图34是根据不同实施例的散热模块的顶视图。

具体实施方式

以下说明书提供了实施例，并不是用于限制权利要求中阐述的范围、适用性或者配置。在不脱离本发明的精神和范围下可以改变元件的功能和配置。不同的实施例可以酌情省略、替代、或者增加不同的工艺或元件。例如，所描述的方法能以不同于所描述的顺序执行，并且也可以增加、省略或者组合不同的步骤。同样地，相对于特定实施例所描述的特征也可以与其他实施例结合。

市区、商业企业以及美国军事基地所安装的SSL照明设备的数量正在不断增加。传统光源，例如，白炽灯，金属卤化物灯和钠蒸气灯正被基于LED的照明设备所代替。节约能源，降低运营费用以及养护最小化是这种固态照明设备所能提供的重要优势。LED的耐用性、寿命、效率(除了其它品质)使SSL照明设备的应用数量和市场份额持续增加。

典型地，安装照明设备是为了照亮指定的区域，例如在建筑照明中其可以是建筑物的侧壁，或者在典型的街道照明中其可以是道路。在大多数这种照明应用中，为了满足该应用的要求，光线的特定图案必须通过给定的照明设备产生。这些要求通常通过标准团体规定，就道路照明的情况来说，其中的一个是IES，即，北美照明工程学会。举例来说，一个相关的标准是RP-8，用于道路照明的美国国家标准实践。进一步，美国能源部(DOE)已经为SSL照明设备制定了的安装目标效能(FTE)要求。这一标准划定了一个量度，即一个给定的照明设备如何有效地填补所需的图案与电力消耗量。

FTE量度属于DOE能源之星计划的一部分，用来提供一种在照亮给定目标区域下设置最小效能要求的方法，并且同样允许在不同的SSL照明设备之间进行公平的比较。同样地，给定照明设备的覆盖区被认为是在IES(例如，在道路照明中)所定义的均匀系数之内提供照明的区域。

许多SSL照明设备以简单线性阵列或者有时以多个这种阵列的方式配置它们的LED，这样仅能实现需要的光图案的一点近似。均匀性可能较差或者图案的一些区域可能有不适当的覆盖或者溢出到期望区域之外，这意味着FTE将会很低。提供一种平台，通过该平台单独的发光二极管或者发光二极管小组被精确地对准，提供对光图案的更大控制，并且已经被证明是与竞争的方法相比能产生更高的FTE。

完成这一精确对准的本发明的方法是利用多斜边铸件或者模制壳体，如图1和2所示，其用作对准平台1和热耗散元件2。热耗散或者将热传导至远离LED是必须的，以便将LED的工作温度保持在其规定的范围之内。这种铸件或者模制件提供了良好的规模经济：当进行大量生产时，算上其使用寿命的折旧，昂贵的模具变得不太昂贵。尽管这是一种用于生产照明设备的具有成本效益的方法，其产生的光线图案能满足大量的市场需求，本发明的一方面提供一种更具成本效益的用于生产照明设备的方法，该照明设备发出的光线图案可能是较少市场需要，或者可以满足定制需要，或者作为使用相同壳体来制造多个产生不同光线图案的照明设备的方法。

通过不同实施例提供的另一个优点是初期生产的更经济性。举例来说，尽管用于大容量铸件的工具通常是非常昂贵的，正如前面提到的那样，用于挤压和金属片部件成形的工具通常便宜得多。这里描述的不同实施例允许使用这种便宜的工具。这使得被没计成能产生给定光线图案的照明设备能以很低的成本进入给定市场。

根据本发明的某些方面，照明设备的对准元件可以通过成形或者弯曲金属片而被配置，或者可使它们的对准点通过活动装置是可调的，一个或多个LED以及它们的光学装置位于该活动装置上。

在一个示意性实施例中，这里参考图3描述，外壳3通过安装装置4被固定至柄部5，柄部5随后被安装至电线杆、建筑物或者其他结构上。提供安装插座6以便安装街道照明行业通用的光电池。所述壳体3内部安装有如图4和5所示以不同的角度设置的对准平台7，并且在这一示意性实施例中，以需要的不同高度设置以实现发出光线的所需图案。

安装平台7由具有足够导热系数的材料形成以便从安装在对准平台7上的LED组件中除去足够的热量。在该示意性实施例中，对准平台7由铝片制造，其被切割成需要的宽度和长度然后被弯曲成需要的角度8，如图6和7所示。举例来说，如果需要更大量生产的话，对准平台7还可以通过挤压来构造。

在这一示意性实施例中，LED组件9在图8和9中示出，并且包括导热PCB10，其上安装有四个LED11以及它们对应的透镜12。该透镜可具有用于将该透镜安装至PCB的壳体13。PCB与安装平台7通过紧固件(未示出)穿过安装孔14连接。电源通过端子15提供，其在这一示意性实施例中与公共的“快速连接”压接端子(未示出)相连接。在其他实施例中，电连接的方法可以与这里描述的方法不同。瞬态电压抑制器(TVS)16提供电气保护以防止瞬态电气事件，例如电涌以及静电放电(ESD)。

在这种LED组件的其他实施例中，LED以及对应的透镜的数目可以不同，取决于需要发出的特定光线图案以及使用的单个LED的效能。在每个LED封装内包括的LED的数目也可以不同。同时，该透镜可以包括如图8所示全内反射(TIR)型透镜，或者它们可以是伴随有如后面其他实施例中所描述的菲涅耳型透镜的混合抛物面镜，或者它们可以是其它的结构。

在图10和11所示的另一个示意性实施例中，LED组件9可以与成型的、折叠的或者弯曲的金属板对准平台17连接。然后通过小的、廉价的鳍状散热片18进行散热。可以通过提供单独的防护透镜19来屏蔽环境污染物。

如图12和13所示，金属板对准平台17由高导热性材料制成，例如铝，以便有利于LED组件9和散热器18之间的热传递。LED组件9安装在对准平台17上的各个区域20上。每个这种区域20以特定的角度21被弯曲或者成型，以便实现需要的特定光线图案。典型地，并且在这一示意性实施例中，这些角度21是关于所述组件的一个或多个轴形成的。

在本发明的又一个示意性实施例中，图14和15示出了一种照明设备22，其包括了成型的、弯曲的、模制的或者压模的外壳23，其为挤压成形的散热器24提供外部环境保护。在这一示意性实施例中，这一外壳是由成型的金属形成但是也可以是另外的材料，例如聚合物。散热器24提供了通过时准平台25安装在散热器上的LED组件9的热传导和热耗散。

来自LED组件的热能通常通过对流和辐射组合从散热器转移出去；对流可以通过多个通风孔53进行，该通风孔在图14中沿照明设备22的金属外壳的顶部被图示出。这些通风孔53可通过钻孔、压印、切割、蚀刻或其它形式形成在照明设备的外壳内，或者钻孔、压印、切割、蚀刻或其它形式形成在插入物内，插入物被固定在所述照明设备22的外壳23内。这些通风孔53可以具有不同的形状和尺寸，但是大体上尺寸被设计成允许足够对流以冷却照明设备LED，同时使进入的环境污染物例如灰尘、碎片、鸟粪、昆虫等等最小化。多个通孔可以进一步被细网格屏或者一层透气、防水膜片，例如Gortex或者类似物保护，其被放置在照明设备内部或者连接在照明设备外部的多个通孔之上。

在这一示意性实施例中，如图16和17所示，对准平台25包括具有高导热性的成型、弯曲或者模压金属板。该金属板具有足够的导热系数以允许热量从LED组件9被传导至散热器24。在这一示意性实施例中，该金属板是铝。安装区26尺寸被设计成能固定LED组件9并且被设置成不同的角度27以便在适当的方向引导来自LED的光线以形成需要的光图案。在某些实施例中，角度27是关于所述组件的一个或多个轴形成的。

在这一例子中，在每个安装区的远端提供翼片28以便提供额外的热路径从而将热量从LED组件9导出去。这些翼片同样提供额外的支撑并且帮助保持安装区26的设置角度27。

在图18、19和20中更详细地示出了图15中的散热器24。在这一示意性实施例中，散热器是利用挤压工艺生产的，其通常使用相对于铸造所需要的模具而言廉价的模具。在这一示意性实施例中，所述散热器由铝制成。散热片29提供了足够的表面面积从而将热能从散热器耦合至外界空气。这些散热片在数量、间隔、长度、厚度、形状以及长度方面可以不同。狭缝30提供用于连接对准平台25的紧固件(未示出)的配合面。提供安装表面区31用以将热能从对准平台25耦合到散热器24。

在这一示意性实施例中，散热器24在图20的挤压型材中被示为具有大体上椭圆形的形状。在其他实施例中，所述散热器同样可以具有其他形状，例如但不局限于图21至26所示的形状。这些及其他的形状可以按照需要，例如美观性、热量、生产、市场需要或者其它的需要来确定。

在又一个示意性实施例中，图27和28示出了照明设备组件32，其包括简单的压印、冲压或者切片的金属板33，其上分别安装散热LED对准模块34，对准模块34通过万向螺钉35与板32连接。该LED对准模块可以在任意方向以需要的范围对准，并且利用单个的紧固件，万向螺钉35锁定在适当位置。

对于给定光图案的单独或者小批量生产，LED对准模块34可以人工地进行配置，或者可以通过其中设置有未调整照明设备的预成形灯具(未示出)进行配置，以允许LED对准模块34与灯具对准。在这样的对准之后，万向螺钉35将由人工或者利用电动工具辅助或者机器人拧紧，将给定的图案在照明设备上固定就位。这一方法对于不同尺寸的流水线生产或者定制光图案是有利的。可选择的，所述对准模块34可以利用机器定位，并且万向螺钉35也利用机器拧紧，从而允许通过单一的照明设备生产线制造接近无限范围的光图案。

由于美观性、建筑学、市场或者其他的需要，照明设备子部件32可以安装在各式各样的具有不同的形状和尺寸的屏蔽室之内。如果对水、灰尘的侵入及其他环境危害提供保护的外部透镜被并入LED对准模块34内，那么相应的安装硬件被提供并且必要的电源被提供并且被适当地保护，照明设备子部件32可以用作不具有全封闭式外壳的照明设备。

LED对准模块34更详细地显示在图29至33中。挤压成形的散热器36与万向螺钉35连接，并且与LED组件37连接。这一LED组件与图8和9中描述的LED组件9类似。万向螺钉35在图32中以截面图的方式被更详细地示出。万向螺钉35包括螺旋进入狭缝壳体39的紧固螺栓38。狭缝40提供实现需要的对准点所需要的，由此总起来说，光图案需要的角度自由度的程度。转动自由度由允许绕LED对准模块34的长轴转动的球形末端内部螺钉41提供，并且还通过固定板33(见图27和28)内的万向螺钉35的转动自由度提供。

在一些实施例中，紧固螺栓38的凹面和内部螺钉的凸面之间可能存在弹性材料或者其他适应的、弹性材料或者部分压缩性材料(未示出)以便减少LED对准模块被安装并且紧固螺栓被拧紧之后的移动可能性。用于实现这一目的的最好的材料应该具有高摩擦系数，例如硅橡胶。同时，在一些实施例中在紧固螺栓38和固定板33之间或者在固定板33和狭缝壳体39之间，可能有类似的弹性材料或者其他材料的垫片、锁片或者垫圈。

在这一示意性实施例中所示的挤压成形散热器36主要呈圆形，如图29至33所示，并且在图34中是挤压型材。然而，为适应给定照明设备、美学设计、市场需要或者其他需要的要求，其他实施例可以是椭圆形、正方形、矩形、六边形、三角形或者其它的形状。散热片的长度和数量可以按照需要随着挤压成形散热器36的长度的改变而改变，以便提供足够的外表面区域将热能从散热器耦合至外界空气。足够多的热能必须从LED组件37转移出去以保持LED足够低的工作温度，从而保证寿命和正常运行。这些热能通常通过对流和辐射的组合被转移至远离散热器。

在这一示意性实施例中，导热的印刷电路板(PCB)42与散热器36通过紧固件43连接。安装在导热的PCB42上的是LED44。在这一示意性实施例中，存在四个LED，而在其他示意性实施例中，可能有更多或者更少的LED。这些LED44可以为单片封装或者多片封装。

在这一示意性实施例中，光学准直部分45用来聚集通常以朗伯图案形式辐射的来自LED44的光线，并且将这种光线重定向到一个基本单一的方向。光学准直部分45包括模制、成型或者浇铸的聚合物，其内部涂覆有形成复合抛物面镜的反射层，与LED44的数目在数量上匹配，并且它们的轴与LED44的轴对准。

随后准直光被一组发散透镜46扩大至需要的数量，其在数量上与LED44的数目相匹配，并且它们的轴与LED44的轴对准。在这一实施例中，这些发散透镜是模制成单片的菲涅耳型透镜。这些透镜可以在给定的模制品内彼此相同，或者在给定的模制品内彼此不同。在其他实施例中，这些透镜可以是传统的、非菲涅耳透镜、渐变折射率(GRIN)透镜或者其它类型的透镜。

在这一示意性实施例中，发散透镜46通过引导棒47以及光束分散调节螺杆48被配置。这些光束分散调节螺杆48允许发散透镜46和LED44之间的距离可以改变，以根据需要改变光线的分散度。

在其他实施例中，光学准直部分45可以包括与图8中所描述的类似的全内反射(TIR)型透镜，在这里其可以有或者可以没有伴随着其他实施例中所示的发散透镜46，或者它们可以将发散功能结合至它们的前表面。

图33中示出的区域49表示将制造的用于电接触位置，以向LED44提供电力。在这一示意性实施例中还提供但没有示出的是对瞬变电气事件例如电涌和静电放电(ESD)的电气保护。这是前面在图8和9中描述的示意性实施例中所示的保护装置16。

用于在一示意性实施例中的挤压型材散热器36如图34所示。为紧固件43提供安装孔50以安装LED组件37。散热片51可以在数量、间隔、长度、厚度、锥度和形状上改变。提供中心安装孔52以安装LED对准模块34。

上面阐述的详细说明与附图一起描述了示意性实施例，其并不表示可以实施的或者在权利要求的范围内的仅有的实施例。说明书中使用术语“示意性”意味着“举例来说、例如、或者示意性的”，而不是“优选地”或者“比其它实施例更有益”。详细说明所包括的细节是为了对所描述的技术进行提供理解的目的。尽管如此，这些技术的实施可以不需要这些细节。在有些情况下，公知的结构和装置以方框图的形式示出以免混淆所描述的实施例的概念。

本发明的上述说明书被提供以使本领域技术人员可以制造或者使用本发明。对于本领域技术人员而言，针对本发明不同的修改是显而易见的，并且本文所定义的一般原理可以被应用于其他变形而不脱离本发明的精神或者范围。贯穿本发明的术语“实施例”或者“示意性”表示例子或者实例，而不意味或者要求对于提到的例子有任何偏好。由此，本发明不限于所描述的实施例和设计，而是被赋予与所述原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (15)

1.一种固态照明设备装置，包括：

壳体；

与壳体连接并且包括多个安装平台的对准平台，该多个安装平台的至少一个子集具有可调安装面；以及

与所述多个安装平台连接的多个光学模块。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个安装面相对于被所述装置照亮的表面具有多个不同的安装角度。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述对准平台由单片材料组成。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述单片材料包括导热的材料片。

5.如权利要求3所述的装置，其中所述单片材料包括铝片。

6.如权利要求5所述的装置，其中铝片被切割成需要的宽度和长度，并且包括多个翼片，所述多个翼片被弯曲成所需的角度以形成安装平台。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述多个光学模块的至少一个子集包括两个或更多与印刷电路板(PCB)连接的LED，并且其中所述PCB被安装在相关联的安装平台上。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述安装平台的至少一个子集包括被配置成将热量从相关联的LED转移出去的散热器。

9.如权利要求7所述的装置，其中一个或多个光学模块进一步包括相应的透镜或者辅助光学元件。

10.一种固态照明装置，包括：

壳体；

与壳体连接的对准平台；以及

与所述对准平台连接的多个光学模块，该多个光学模块的至少一个子集包括调节元件，所述调节元件被配置成允许相应的光学模块相对于所述对准平台以可调的角度发射光线。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述对准平台包括多个安装平台，该多个安装平台的至少一个子集具有可调的安装面。

12.如权利要求10所述的装置，其中所述多个光学模块被配置成相对于所述对准平台以多个不同的角度发射光线。

13.如权利要求11所述的装置，其中所述对准平台由单片材料组成。

14.如权利要求11所述的装置，所述调节元件包括万向螺钉。

15.如权利要求11所述的装置，其中所述多个光学模块的至少一个子集包括与印刷电路板(PCB)和散热器连接的两个或更多LED，并且其中所述散热器被安装在相关联的调节元件上。