CN1193437C - 用于信号设备的发光二极管组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及有规定的LED矩阵的LED组件，其中，每个LED(10)设有透镜(20)，LED(10)安装在薄板(1)上。设置有光基板(2)，它有与LED矩阵对应的聚光器件矩阵。聚光器件可以是透镜(20)，或者是集成在光基板(2)中的有反射侧壁的光通道。

Description

用于信号设备的发光二极管组件
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)组件，特别涉及以极小的反射角安装在信号设备中的LED组件。
背景技术
惯用的铁路信号设置技术中，通常是在光透镜的焦点位置中在列车长的视线高度内安装一个永远显示的小型弱光源，如白炽灯的灯丝。根据在极小的反射角下光源发生的极大光强度的高光高度，能够在3km以外的距离更清楚的看到信号。
但是，现有白炽灯的寿命有限，因而，使用白炽灯的铁路信号设备的破损确定了所安装的总的铁路信号设备破损。因此，为了预防白炽灯破损，必须定期更换白炽灯。与灯的平均寿命相比，该时间间隔大大缩短，因此，更换工作需要大量的材料和时间。
考虑到安装有白炽灯的铁路信号装置的安全，白炽灯用双螺纹灯丝。但是，接入该双螺纹灯丝时第1根灯丝会破损。因此在透镜焦点处安装双螺纹灯丝并不好，由于铁路信号的光强度误差为12％。为了避免出现这种缺陷，必须进行维修。
而且，另一种信号设备，如安插在地里的作为道路，街道或起飞着陆跑道的光标的强的或弱的导向信号设备，由于使用惯用的白炽灯作光源，因此，存在类似的缺点。
考虑到常规白炽灯的高破损灵敏度，提供一种安装有半导体发光二极管(LED)的光源，LED不仅有很长的使用寿命，而且，在可见光光谱范围内有较高的辐射能—电能转换效率，而且，散热量小，所占的空间很少。而且，现有的铁路信号设备，或同样的如探照灯的设备也能用LED矩阵，如常规的铁路信号设备，是把各个LED的反射光聚焦，延长了光源的照射距离，亮度更清晰。用只有一个透镜的LED矩阵构成的系统是不适用的，在实际条件下不可能恢复反射角的极限值。
美国US-A-5404282公开了一种LED组件，在两根平行的导电线之间安装固定多个LED，如该美国专利US-5404248所示，所用的LED均有在灌注的如环氧树脂的透明塑料中的导电引线。可以设置透镜。它的发光面由带凸起的合成树脂块，即，有向外凸起的树脂段构成。按此方式制成由一个ELD和一个透镜组成的单元。用现有方法制造由带透镜的多个LED构成的矩阵。此外，所述LED矩阵还有不能用多个透镜的缺点，而且，该LED矩阵不灵活。
另外，由EP0303741公开了一种具有多个LED芯片的LED阵列，其中LED芯片安装在一个公共的基片上。在LED阵列的一个实施例中，在每个LED芯片后设置一个透镜，该透镜插在基板的相应孔中。然而，各个LED芯片在基片上的安装相当费时，对于每块芯片尤其需要形成芯片的上侧至基片的数字连接。
在DE1962388A1中描述了一种电致发光阵列，该电致发光阵列包括一具有多个不同颜色的象素的显示面板和覆盖该显示面板的透镜系统。透镜系统由相互紧密连接的各个透镜组成，这些透镜改善了发射光的方向特性。
WO97/50132公开了光发射的半导体构件，包括一个半导体和一个发光转换元件。该发光转换元件将半导体发出的光转换成兰、绿和紫外光谱的不同波长的光，从而形成混色尤其是白色的光学印象。
发明内容
本发明的目的是，提供一种LED组件，它特别适合于安装在信号设备或照明设备中，而且制造和安装简单，能灵活地装入。
上述目的的技术解决方案在于LED一组件，包括由单个的LED元件构成的规定的矩阵，LED矩阵安装在电连接板的主表面上，每个LED元件至少在光反射方向设有聚光器件和一光基板，其中，所述聚光器件是在光基板中形成的有反射壁的光通道，光基板有与LED矩阵对应的凹槽或凸台的矩阵，至少一个聚光器件安装在所述凹槽中或凸台上，光基板位于LED元件上面与电连接板隔开。
在第1种构形中由透镜构成聚光器件。在另一构件中，光基板中包括与LED矩阵对应的凹槽矩阵，透镜作为单个可插入另件插入凹槽。每个透镜最好构成为有向外凸出的光发射面的四方形主体和面对主体有锥形横截面的与光基板的凹槽对应的附加底座。还提供一个光基板把透镜安装在光基板的凸台上或插入光基板的凹槽中。
该构形的主要优点是根据不同的应用领域简单而快速地构成与预定参数匹配的组件。
按第1构形的另一变型，透镜整体构建在光基板中，这种情况下，构成光基板的材料必须是透明的材料，以保证LED的波长。
第2种构形中，通过光通道构成聚光器件，光通道集成在光基板中，有斜的或直的反射内壁。
按所选择的另一种构形，在每个LED元件上直接设置一个另外的聚光器件，具体是设置一个透镜，因此，光基板的每个聚光器件串联连接，从而具有反射角极窄的优点。
第1构形和第2构形组合构成另一构形。
光基板和/或透镜最好含聚甲基异丁烯酸酯(PMMA)。当光基板和/或透镜作为一个整体另件压铸时，最好与透镜和光基板的材料选择无关。
按本发明的LED组件所选用的LED最好是“SIEMENS SMT-TOPLED für die oberfichenmontage”von.F.Müllmer und G.Waitl in der Iusammenhang mitBild l beschrieben。中所述的LED。这类的LED允许在薄板上用多个LED极致密地配置。
按本发明的LED组件特别适用于如铁路信号设备，或埋入地里的光信号设备，或各个技术领域中为了其它目的而使用的照明设备的信号设备中。
附图说明
以下将结合附图用两种结构形式的结构例更详细地说明发明。其中：
图1是按本发明的LED组件的第1构形的横截面图；
图2A是装在图1所示的LED组件中的透镜的侧视图；
图2B是透镜的光发射面的示意图；
图3是按本发明的LED组件第2构形的侧视图。
具体实施方式
按本发明的LED组件的第1构形包括图1所示的横截面图中的薄板1和光基板2。薄板1上设置有按LED单行构成的矩阵而配置的多个LED10。为了改善LED的散热，薄板1最好用金属板构成，由此提高LED的发光效率。最好用表面贴装法(SMT)把LED贴装在薄板1上。LED10可用德国国家核准的SIEMENS SMT-TOPLED法规制造。要求LED10构成的电路结构是多个彼此不相关的独立的电路支路构成。由此能保障组件的高故障安全性，例如，把各有15个LED10组成的互不相关的电路支线并联设置，使两行LED中的每个单行中的LED串联。
透镜的上表面与设有透镜装置的光基板2之间隔开一个小距离。薄板1和光基板2以较合适的形式相互粘接在一起，由此保持较稳定的状态。薄板1和光基板2最好用夹紧插塞相互连接在一起。
光基板2包括很多透镜20，每个透镜中设有LED10。可用透镜的光发射表面构成凸台，使透镜20和光基板粘在一起。如图所示的LEL矩阵，透镜20作为单个另件制造，并用夹紧塞插入光基板2中。光基板2构成为有部分凹槽25的安装盒，在光基板2中构成所要求的LED的矩阵形结构。该凹槽25的横截面例如是圆形。
每个透镜元件上直接安装一个另外的聚光器件11，具体说是安装一个透镜。光基板2的聚光器件，30在LED元件10的光反射方向串联。
图2A是单个透镜20的侧视图，图2B是透镜20的光发射面示意图。透镜20有一个四方形主体21和安装在光发射面反面上的底座22，面对主体21的底座22的横截面是锥形，底座22与光基板2的凹槽25互补。用透镜20的底座22的端部插入光基板2的正面，使透镜主体21位于光学基片2的支承面上。此外，透镜主体21的横截面尺寸的计算方法是在透镜20插入状态下的主体21在无间隙的连接在一起时计算的。按本发明的结构例还有从几米以外的距离观察组件时有均匀发光面的优点。
相反，根据制造费用也可以把光基板2和透镜20制成可以互补的结构，在光基板2中形成对应于凸台的凹槽25，设置能与凹槽25互补的单个透镜20。
采取一些简单的结构措施就能固定夹紧插塞，这是本行业技术人员公知的方法，因此不再说明。
透镜主体21有向外凸起的光发射面21a，由此构成真正的透镜，透镜凸面21a与透镜材料和折射率相关，LED10的有效面位于透镜20的焦点位置。
透镜主体21和/或底座22的侧壁可构成为反光器以提高光效率。
最好用折射率为1.5的聚甲基异丁烯酸酯(PMMA)作为制造光基板2和透镜20的材料，也可以根据透镜形状来改变折射率，例如有凸面21a的形状的折射率，必须改变采用另外的合成材料制造光基板和透镜。最好用能压铸的材料进行大批量生产。
图3是按本发明的LED组件的第2种构形的侧视图。像图1所示第1种构形一样。包括薄板1，薄板1上有相互隔开的多个LED10的规定矩阵，和光基板2，光基板2中设有与LED矩阵对应的由多个光通道30矩阵和反射侧壁构成的聚光器件。侧壁斜向设置以增大光传播器件的光通道的横截面积。也可以安装已形成有弯曲通道的直的锥形侧壁。光通道30最好形成作为穿过光基板2的通孔，它若不能按正常通道延长，那么至少可以作光基板2的横截面的一部分延长。光通道30也可用有较高折射度的材料制成像有折射率的玻璃纤维一样。若光通道30不用光基板2的构成材料制造，而用折射率较小的材料构成时，在界面上的入射光完全被反射，因此，折射率将会分段或逐渐变化。
除了所述的两种复杂构形外，还可以构成其它构形。例如，提供给图3所示第2种构形上附加有透镜的构形，因此，在光基板2的侧边上设置光通道30，由此用通孔形成光通道30时，由此能像第1种构形一样在通孔中设置所属的透镜。
按本发明的LED组件有从几米之外的距离观察有均匀发光表面的另件。
按本发明的组件装入铁路信号设备中特别有利。也可用于其它信号设备，如埋入地里的光信号设备，用于道路，街道，广场，燧道，起飞着陆跑道等处的光标等。可根据它们的使用功能，按本发明的LED组件最好制成平面结构。
本发明的LED组件还可用作交通十字路口的吊挂灯，或探照灯，或聚光探照灯，或其它发光装置中，如迪斯科舞厅灯光等。
LED的发射光波长的理论依据是，按LED的应用中所需的信号颜色，采用着不同的颜色的LED发射出所需颜色的信号。为了使规定的铁路信号设备中尽可能仿造出光性能，可以设置白光LED，为此，LED发射尽可能短的波长的光，像用GaN发兰光一样，用合适的转换材料产生更短的波长，通过波长混合就能构成白色光源。

Claims (14)

1、LED一组件，包括：
由单个的LED元件(10)构成的规定的矩阵，LED矩阵安装在电连接板(1)的主表面上，每个LED元件(10)至少在光反射方向设有聚光器件和一光基板(2)，其特征是，所述聚光器件是在光基板(2)中形成的有反射壁的光通道(30)，光基板(2)有与LED矩阵对应的凹槽(25)或凸台的矩阵，至少一个聚光器件安装在所述凹槽(25)中或凸台上，光基板(2)位于LED元件上面与电连接板(1)隔开。
2、按权利要求1的LED组件，其特征是，LED元件是可表面安装的。
3、按权利要求1的LED组件，其特征是，所述聚光器件是透镜(20)。
4、按权利要求3的LED组件，其特征是，光基板(2)安装成覆盖电连接板(1)，每个LED元件(10)的LED芯片位于所属透镜(20)的焦点位置中。
5、按权利要求2、3的LED组件，其特征是，每个透镜(20)构成为有一个带向外凸起的表面的四方形主体(21)，面对主体(21)的横截面是锥形和对应光基板(2)的凹槽(25)的附加的底座(22)。
6、按权利要求5的LED组件，其特征是，四方形主体(21)按透镜(20)的插入状态无间隙地连接。
7、按权利要求5的LED组件，其特征是，凹槽(25)和/或主体(21)和/或底座(22)的侧壁构成为反射器。
8、按权利要求1的LED组件，其特征是，光基板(2)中的光通道构成其折光率比光基板的折光率大的通孔或区域。
9、按权利要求1的LED组件，其特征是，光基板(2)和/或聚光器件含聚甲基异丁烯酸酯。
10、按权利要求1的LED组件，其特征是，用压铸法制造光基板(2)和/或透镜(20)。
11、按权利要求1的LED组件，其特征是，在每个LED元件(10)上直接安装一个另外的聚光器件(11)，这样，在每个LED元件(10)的光反射方向中光基板(2)的聚光器件串联连接。
12、按权利要求1的LED组件，其特征是，电连接板(1)是金属板。
13、按权利要求1的LED组件，其特征是，LED(10)至少连接两个独立的电路支路。
14、按权利要求1的LED组件，其特征是LED(10)有转换材料，通过该转换材料使LED(10)发射的光射线的一部分的波长容易改变，由此，有用白光LED产生的光斑。
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