DE10063409A1 - Beleuchtungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung (1), die eine Mehrzahl von lichtemittierenden Elementen (5) umfasst, welche flächig verteilt auf einem flächigen Trägerelement (4) angebracht sind und an elektrische Zuleitungen (6) anschließbar sind, wobei von den lichtemittierenden Elementen (5) Licht durch eine räumlich gebogene Lichtaustrittsfläche abstrahlbar ist. Um die Funktionalität zu verbessern und insbesondere den erforderlichen Einbauraum zu reduzieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die mit den lichtemittierenden Elementen (5) bestückte Fläche des Trägerelements (4) räumlich gebogen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungseinrichtung, die eine Mehrzahl von lichtemittierenden Elementen umfasst, welche flächig verteilt auf einem flächigen Trägerelement angebracht sind und an elektrische Zuleitungen anschließbar sind, wobei von den lichtemittierenden Elementen Licht durch eine räumlich gebogene Lichtaustrittsfläche abstrahlbar ist.

Derartige Leuchten zeichnen sich durch die Form ihres Lichtaustritts aus, welcher durch einen durchstrahlten Leuchtenschirm, eine Abschlussscheibe oder dergleichen gebildet wird. Die Lichtemission nach außen durch diesen transparenten Flächenbereich wird sowohl durch dessen Abmessungen und geometrische Formgebung bestimmt, als auch durch die Materialeigenschaften sowie insbesondere die im Inneren der Leuchte zur Abstrahlung durch die Lichtaustrittsfläche angeordneten Lampen. Ein bekanntes Beispiel für Beleuchtungseinrichtungen mit in der Regel nach außen gewölbten Lichtaustrittsflächen sind Beleuchtungsbaugruppen an Kraftfahrzeugen, welche beispielsweise Brems- und Rücklichter, Blinklampen, Rückfahrscheinwerfer und dergleichen in sich vereinen. Dabei werden die Lichtaustrittsflächen durch Abschlussscheiben gebildet. Zur funktionalen und ästhetischen Integration in die Karosserieform sind diese mit dreidimensional gebogenen Lichtaustrittsflächen versehen, d. h. die im Lichtaustritt angebrachten Abschlussscheiben haben die Form einer in mindestens zwei Raumrichtungen gebogenen Fläche. Diese wird zumeist durch eine räumlich gebogene Freiformfläche gebildet oder hat sphärische, ellipsoidförmige, konische, zylindrische oder andere Krümmungsformen.

Im Stand der Technik ist es seit geraumer Zeit bekannt, eine räumlich gebogene Lichtaustrittsfläche durch ein lichtemittierendes Element in Form einer Glüh- oder Leuchtstofflampe zu durchstrahlen, welche hinter der Lichtaustrittsfläche in einem Reflektorgehäuse untergebracht ist. Dieser Reflektor sorgt dafür, dass das von der Lampe emittierte Licht in definierter Weise durch die Lichtaustrittsfläche abgestrahlt wird. Diese bewährte Anordnung hat zwar eine definierte, an sämtliche auftretenden Anwendungen anpassbare Lichtaustrittscharakteristik aus der Lichtaustrittsfläche. Durch die bislang unumgängliche Reflektoranordnung sind diese Beleuchtungseinrichtungen jedoch relativ voluminös. Dies bedeutet beispielsweise bei einer Kraftfahrzeugheckleuchte, dass sich das Leuchtengehäuse relativ tief in den Innenraum erstreckt, was zu einer Einschränkung der technischen und ästhetischen Gestaltungsmöglichkeiten führen kann.

Seit einiger Zeit geht man dazu über, einzelne Glühlampen durch Anordnungen von Leuchtdioden (LED) zu ersetzen, welche eine höhere Lebensdauer und einen besseren Wirkungsgrad haben. Einzelne LED haben jedoch eine geringere Abstrahlleistung als Glühlampen, so dass jeweils mehrere LED auf einem Trägerelement zusammengefasst anstelle einer Glühlampe verwendet werden. Um die geforderte Leistung zu erreichen, werden dazu mehrere LED auf einem Träger mechanisch und elektrisch zu einer Baueinheit verbunden, einem sogenannten LED-Array, welches dann eine Glühlampe ersetzen kann.

Der Vorteil einer derartigen LED-Anordnung ist die höhere Betriebssicherheit und Lebensdauer. Bislang hat man allerdings lediglich LED-Arrays lediglich unter dem Gesichtspunkt der mehrfachen Anordnung auf Trägerelementen in Form von ebenen Leiterplanabschnitten untergebracht, wie sie aus der Elektronik bekannt sind und die Vorteile haben, das sie günstig bestückbar sind und einfache Stromzufuhr über die Leiterbahnen ermöglichen. Allerdings wird durch eine derartige, flächige LED-Anordnung lediglich eine Glühlampe funktional nachgebildet. Insbesondere bei räumlich gebogenen Lichtaustrittsflächen bleibt somit der Nachteil eines relativ voluminösen Reflektor- bzw. Lampengehäuses bestehen. Angesichts dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Funktionalität zur Verfügung zu stellen. Insbesondere soll eine vereinfachte Integration einer derartigen Beleuchtungseinrichtung ermöglicht werden, beispielsweise zur Realisierung von Kraftfahrzeug- Beleuchtungseinrichtungen.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung schlägt die Erfindung vor, dass die mit den lichtempfindlichen Elementen bestückte Fläche des Trägerelements räumlich gebogen ist.

Bei der Erfindung sind die lichtemittierenden Elemente, beispielsweise die Leuchtdioden (LED) nicht einfach auf einer ebenen Leiterplatte angeordnet wie im Stand der Technik, sondern erstmals in einer dreidimensionalen Anordnung, welche durch die Form des Trägerelements vorgegeben wird. Dieses ist ebenfalls ein flächiges Element, welches räumlich geformt ist, und zwar bevorzugt als Freiformfläche. Erfindungsgemäß sind die lichtemittierenden Elemente so installiert, dass sie von der erfindungsgemäßen räumlichen Fläche des Trägerelements in den äußeren Halbraum abstrahlen, d. h. im wesentlichen normal zur Oberfläche.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die räumliche Form des Trägerelements der räumlichen Form der Lichtaustrittsfläche angepasst ist. Die lichtemittierenden Elemente liegen folglich mit geringem Abstand hinter der Lichtaustrittsfläche, so dass das gesamte Bauvolumen der Beleuchtungseinrichtung lediglich einen flachen, schalenförmigen Raumbereich zwischen dem Trägerelement und der Lichtaustrittsfläche einnimmt. Insgesamt ist daher eine sehr geringe Einbautiefe erforderlich, da das Trägerelement, die darauf angeordneten lichtemittierenden Elemente sowie die davor angebrachte Lichtaustrittsfläche, beispielsweise eine Abschlussscheibe oder dergleichen, in Form von gewölbten Schalen oder Schichten übereinander angeordnet sind. Diese Anordnung kann auf der Außenseite an beliebige Freiformgeometrien angepasst werden, beispielsweise in Form einer konkav nach außen ausgewölbten Lichtaustrittsfläche. Dank des erfindungsgemäß an diese Wölbung angepassten Trägerelements kann die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung auf der Rückseite entsprechend konkav eingeformt sein. Dadurch ist beispielsweise die Integration in eine Kraftfahrzeugkarosserie auch an solchen Stellen problemlos möglich, wo beispielsweise durch tragende Verstrebungen oder Betriebsaggregate nicht die erforderliche Einbautiefe für eine konventionelle Reflektoranordnung zur Verfügung gestellt werden kann. In dieser Einbausituation ist die Verwendung eines ebenen LED-Arrays, wie es im Stand der Technik bekannt ist, ebenfalls nicht möglich, da dieses ebenfalls lediglich räumlich querliegend installiert werden könnte.

Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Anbringung der lichtemittierenden Elemente, beispielsweise der Leuchtdioden, die Möglichkeit, dreidimensionale Lichtaustrittsflächen zu realisieren, welche mit herkömmlichen, punktförmigen oder sich geradlinig erstreckenden Lampenanordnungen und Reflektoren nicht oder nur unzulänglich auszuleuchten wären. Im Gegensatz dazu können an jeder Stelle der Lichtaustrittsfläche definierte Emissionsbedingungen realisiert werden. Dies ist insbesondere für sicherheitsrelevante Beleuchtungseinrichtungen, wie beispielsweise Brems- und Blinkleuchten am Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft.

Schließlich eröffnet die erfindungsgemäße Anordnung bislang nicht oder nur umständlich zu realisierende ästhetische Gestaltungsmöglichkeiten. Dabei wird selbst durch ungewöhnliche Leuchtengeometrien die Innenraumgestaltung nicht beeinträchtigt, da nicht wie im Stand der Technik unter Umständen tief nach innen vorstehende Reflektoranordnungen und dergleichen vorgesehen werden müssen.

Bevorzugt kann das erfindungsgemäße Trägerelement in zwei Raumrichtungen gebogen sein, beispielsweise sphärisch oder ellipsoidförmig. Bevorzugt ist die Form des Trägerelements als Freiformfläche geformt, wobei in unterschiedliche Raumrichtungen beliebige Krümmungsverläufe frei vorgebbar sind. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Integration in die Oberfläche einer Kraftfahrzeugkarosserie, deren äußere Form in der Regel ebenfalls aus Freiformfläche gebildet wird.

Bevorzugt ist das Trägerelement als Leiterplatte mit flächigen Leiterbahnen ausgebildet. Diese Leiterplatte ist beispielsweise eine faserverstärkte Epoxy-Platte, welche erfindungsgemäß räumlich geformt ist. Diese ist in sich starr und bietet eine relativ hohe Eigenstabilität, so dass sie eine definierte Befestigung der darauf angebrachten lichtemittierenden Elemente, beispielsweise Leuchtdioden ermöglicht, ohne dass weitere Verstärkungs- oder Stabilisierungsmaßnahmen erforderlich wären. Außerdem kann diese mit Leiterschichten zur Stromversorgung der Leuchtdioden versehen sein, wie dies im Stand der Technik zur Realisierung elektronischer Schaltungen bekannt ist. Diese Leiterbahnen können ein- oder zweiseitig auf den Oberflächen ausgebildet sein, oder darüber hinaus in Zwischenschichten in einer sogenannten Multilayer-Anordnung. Auf diese Weise lassen sich kompliziertere Leiterführungen zur Ansteuerung der einzelnen lichtemittierenden Elemente rationell realisieren.

Vor der Oberfläche des Trägerelements ist in der Lichtaustrittsfläche bevorzugt eine räumlich gebogene, der räumlichen Form des Trägerelements folgende Abschlussscheibe angebracht. Dadurch wird eine schichtartige Anordnung des Trägerelements und der Abschlussscheibe gebildet, in deren Zwischenraum sich erfindungsgemäß die lichtemittierenden Elemente befinden. Die Abschlussscheibe bildet die äußere Leuchtenabdeckung, beispielsweise bei einer Kraftfahrzeug- Heckleuchtenbaugruppe die räumlich gewölbte, in die Karosserieaußenform eingepasste gewölbte Leuchtenfläche.

Die Ausbildung der lichtemittierenden Elemente als Leuchtdioden (LED) hat die bekannten Vorteile von hoher Betriebssicherheit und langer Lebensdauer. Hinzu kommt, dass LED eine relativ geringe Verlustwärme haben, so dass die erfindungsgemäße Integration zwischen dem gebogenen Trägerelement und der dicht davor liegenden Abschlussscheibe auch unter thermischen Gesichtspunkten unproblematisch ist. Außerdem ergeben sich besondere Gestaltungsmöglichkeiten daraus, dass sowohl einfarbige als auch mehrfarbige LED verwendbar sind. Bereits durch einfarbige Leuchtdioden, welche in rot, grün, gelb, blau und Zwischenfarben erhältlich sind und im wesentlichen monochromes Licht emittieren, lässt sich durch Verwendung verschiedenfarbiger Emitter durch additive Farbmischung eine beliebige Farbe des abgestrahlten Lichts vorgeben. Mehrfarbige Leuchtdioden strahlen zugleich auf mehreren Wellenlängen ab oder haben unmittelbar auf einem Halbleitersubstrat mehrere, unterschiedlich farbige Emissionsübergänge, so dass nach außen beispielsweise weißes Licht abgestrahlt werden kann. Durch die Möglichkeit, die jeweils relevanten Emissionsübergänge einzeln anzusteuern, ist es bei manchen Ausführungen außerdem möglich, eine LED wahlweise in verschiedenen Farben emittieren zu lassen.

Gemäß der Erfindung können LED mit unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik auf einem Trägerelement miteinander kombiniert werden. Dies können beispielsweise einfarbige oder mehrfarbige LED sein oder besonders helle Hochleistungs-LED.

Zur Anwendung in der Kraftfahrzeugtechnik, beispielsweise für Kraftfahrzeug-Heckleuchten ergeben sich besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten, da beispielsweise ein einziger Flächenbereich durchgehend mit LED bestückt werden kann, wobei unterschiedliche Beleuchtungsfunktionen realisiert werden können, beispielsweise Rücklicht, Bremsleuchte, Blinker oder Rückfahrleuchte. Dadurch hat eine derartige Beleuchtungseinrichtung deutlich weniger Flächenbedarf, als die konventionellen Leuchten im Stand der Technik, wo für jede dieser Beleuchtungsfunktionen ein separater Lichtaustrittsbereich erforderlich ist mit jeweils einem eigenen lichtemittierenden Element und gegebenenfalls einem Reflektor.

Als Leuchtdioden können Ausführungen mit separatem Gehäuse und alternativ auch ohne separates Gehäuse verwendet werden. LED mit separatem Gehäuse haben herausgeführte Anschlussdrähte, die mit dem Trägerelement elektrisch und mechanisch verbunden werden, beispielsweise im Sinne der herkömmlichen Leiterbahnbestückung durch Lötverbindungen. Die Ausführungen ohne separates Gehäuse sehen vor, dass die Halbleiterelemente, d. h. die lichtemittierenden Substrate unmittelbar auf die Leiterbahnen des Trägerelements aufgebracht werden, d. h. darauf angebondet werden. Während die erstgenannte Ausführung mit den separaten Gehäuse sich durch konventionelle, allgemein verfügbare Bauteile realisieren lässt hat die zuletzt genannte Ausführungsform den Vorteil, dass eine besonders geringe Bauhöhe mit einer entsprechend geringen erforderlichen Einbautiefe realisiert werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Beleuchtungseinrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Beleuchtungseinrichtung in einer zweiten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht von außen auf eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung, die als Kraftfahrzeug-Heckleuchte ausgebildet ist. Diese ist beispielsweise am Heck eines Kraftfahrzeugs im Eck- bzw. Kantenbereich einer Kraftfahrzeugkarosserie 2 angeordnet.

Anhand der perspektivischen Darstellung in Fig. 1 ist erkennbar, dass die Heckleuchte 1 der Oberfläche der Karosserie 2 folgend räumlich gebogen ist, und zwar in die Zeichnungsebene konvex vorspringend. Dabei ist die Biegung in der Zeichnung von rechts nach links abweichend von der Biegung von oben nach unten gesehen, so dass eine Freiformflächen-Geometrie der Lichtaustrittsfläche vorliegt. Diese Lichtaustrittsöffnung der Heckleuchte 1 ist mit einer in dieser Flächenform gebogenen Lichtaustrittsscheibe versehen, welche in der dargestellten Ausführung transparent ist. Daher ist diese Abschlussscheibe besonders gut in dem Schnitt in Fig. 2 bzw. Fig. 3 erkennbar, wo sie mit dem Bezugszeichen 3 versehen ist. Sie besteht aus Kunststoff oder Glas, welches glasklar oder matt bzw. milchig, gefärbt oder ungefärbt sein kann.

Mit dem Bezugszeichen 4 ist ein erfindungsgemäßes Trägerelement bezeichnet. Dies wird durch eine Leiterplatte, beispielsweise eine Epoxydharz-Leiterplatte gebildet, welche mit Abstand hinter der Abschlussscheibe 3 angeordnet ist und wie diese ebenfalls dreidimensional gebogen ist, so dass das Trägerelement 4 und die Abschlussscheibe 3 wie räumlich gewölbte Schalen aufeinanderfolgen, was besonders gut in dem Schnitt in Fig. 2 bzw. Fig. 3 erkennbar ist.

Auf dem Trägerelement 4 ist eine Mehrzahl von lichtemittierenden Elementen, nämlich Leuchtdioden (LED) 5 angebracht und mit flächigen Leiterbahnen 6 auf der Oberfläche des Trägerelements 4 kontaktiert, beispielsweise durch Lötpunkte. Die Leiterbahnen 6 sind in Fig. 1 nur beispielhaft bereichsweise eingezeichnet. Sie können sich auf der Oberseite oder der Unterseite oder in Zwischenlagen des Trägerelements 4 befinden.

Die Ausführung in Fig. 2 zeigt die Verwendung von Leuchtdioden 5, welche jeweils ein eigenes Kunststoffgehäuse haben und über daraus nach hinten herausgeführte Anschlussdrähte mit auf der Rückseite des Trägerelements 4 ausgebildeten Leiterbahnen verbunden sind. In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der die lichtemittierenden Substrate 5a von Leuchtdioden ohne eigenes Gehäuse unmittelbar an Leiterbahnen 6 kontaktiert sind, die im Gegensatz zu Fig. 2 auf der Vorderseite des Trägerele­ ments 4 ausgebildet sind.

In dem dargestellten Beispiel sind beispielsweise im mittleren unteren Bereich der Heckleuchte 1 LED 5 eingesetzt, welche zweifarbig geschaltet werden können, beispielsweise gelb und/oder rot. Dies ist in der Zeichnung durch die halb ausgefüllte Fläche angedeutet. Dadurch lässt sich ein gelb abstrahlender Blinker in eine Heckleuchte integrieren, welche ansonsten als rot leuchtendes Brems- oder Rücklicht dient. Die Bremslicht-Funktion lässt sich dadurch realisieren, dass unterschiedlich intensiv leuchtende rote Leuchtdioden 5 verwendet werden.

Dadurch, dass die LED 5 unmittelbar hinter der Abschlussscheibe 3 angeordnet sind, ergibt sich ein besonders gutes Abstrahlverhalten in alle Richtungen. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, der besonders gut im Schnitt in Fig. 2 und Fig. 3 erkennbar ist, besteht darin, dass die gesamte Heckleuchte 1 einen quasi schalenartigen Aufbau hat mit geringer Einbautiefe. Dies resultiert daraus, dass das Trägerelement 4 erfindungsgemäß dem durch die Karosseriekrümmung vorgegebenen Bogen problemlos anpassbar ist, und zwar als Freiformgeometrie in alle Richtungen, so dass lediglich eine entsprechend geringe Einbautiefe erforderlich ist.

Claims (13)

1. Beleuchtungseinrichtung, die eine Mehrzahl von lichtemittierenden Elementen umfasst, welche flächig verteilt auf einem flächigen Trägerelement angebracht sind und an elektrische Zuleitungen anschließbar sind, wobei von den lichtemittierenden Elementen Licht durch eine räumlich gebogene Lichtaustrittsfläche abstrahlbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den lichtemittierenden Elementen (5) bestückte Fläche des Trägerelements (4) räumlich gebogen ist.

2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gebogene Form des Trägerele­ ments (4) an die Form der Lichtaustrittsfläche angepasst ist.

3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (4) in zwei Raumrichtungen gebogen ist.

4. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (4) sphärisch oder elliptisch gewölbt ist.

5. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (4) als Freiformfläche geformt ist.

6. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (4) als Leiterplatte mit flächigen Leiterbahnen (6) ausgebildet ist.

7. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Trägerelement (9) in der Lichtaustrittsfläche eine räumlich gebogene, der räumlichen Form des Trägerelements (4) folgende Abschlussscheibe (3) angebracht ist.

8. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierenden Elemente als Leuchtdioden (5) ausgebildet sind.

9. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (5) einfarbig sind.

10. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (5) mehrfarbig sind.

11. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Leuchtdioden (5) mit unterschiedlicher Emissionscharakteristik auf einem Trägerelement (4) miteinander kombinierbar sind.

12. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (5) separate Gehäuse mit herausgeführten Anschlussdrähten haben, die mit dem Trägerelement (4) elektrisch und mechanisch verbunden sind.

13. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass lichtemittierende Halbleiterelemente (5a) der Leuchtdioden (5) unmittelbar auf die Leiterbahnen (6) des Trägerelements gebondet sind.