DE102011085655A1 - Beleuchtungseinrichtung mit Halbleiterlichtquellen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung, die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung (10), mindestens ein Federelement (20) und Stromzuführungen (23, 24) für die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung (10) aufweist, wobei jeweils ein Bereich der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung (10), des mindestens einen Federelements (20) und der Stromzuführungen (23, 24) in dem Material eines Kunststoffspritzgussteils (30) eingebettet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • I. Stand der Technik
  • Eine derartige Beleuchtungseinrichtung ist beispielsweise in der WO 2010/000614 A1 offenbart. Diese Schrift beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung für Fahrzeugscheinwerfer mit einer Halbleiterlichtquellenanordnung und einem Gehäuse, in dessen Innenraum Komponenten einer Betriebsschaltung für die Halbleiterlichtquellenanordnung angeordnet sind, und einer metallischen Wärmesenke, die mittels eines Federelements mit dem elektrischen Massebezugspotenzial der Betriebsschaltung verbunden ist.
  • II. Darstellung der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine mit Halbleiterlichtquellen versehene Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, die einen vereinfachten Aufbau und eine verbesserte thermische und mechanische Anbindung an einen Kühlkörper ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besitzt mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung, mindestens ein Federelement und Stromzuführungen für die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung, wobei jeweils ein Bereich der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung und des mindestens einen Federelements sowie der Stromzuführungen in dem Material eines Kunststoffspritzgussteils eingebettet ist.
  • Aufgrund der vorgenannten Merkmale bilden die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung, das mindestens eine Federelement und die Stromzuführungen eine mechanisch stabile Baueinheit, die durch das Kunststoffspritzgussteil zusammengehalten wird. Es kann daher bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung auf eine Platine, insbesondere eine Metallkernplatine, für die Montage und elektrische Kontaktierung der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung verzichtet werden. Stattdessen ermöglicht das mindestens eine Federelement eine mechanisch stabile Anbindung und vorzugsweise auch eine gute thermische Kopplung zwischen der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung und einem Kühlkörper, auf dessen Oberfläche die Baueinheit montiert wird, weil durch die Federwirkung des mindestens einen Federelements eine Kraft ausgeübt wird, die zu einem Anpressdruck zwischen der Kontaktfläche des Kühlkörpers und der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung führt. Die verbesserte thermische Kopplung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung erlaubt bei ihrem Einsatz in einem Fahrzeugscheinwerfer, auf aktive Kühlsysteme, wie beispielsweise Ventilatoren oder Kühlmittelfluss in einem Kühlmittelkreislauf, für die Halbleiterlichtquellen zu verzichten. Außerdem ermöglichen die abschnittweise in dem Kunststoffspritzgussteil eingebetteten Stromzuführungen der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung eine elektrische Kontaktierung der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung mit einem Treiber oder mit einer Betriebsschaltung für die Halbleiterlichtquellen.
  • Das mindestens eine Federelement weist vorzugsweise einen Durchbruch für die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung auf, um die Halbleiterlichtquellenanordnung in Kontakt mit der Oberfläche eines Kühlkörpers bringen zu können und dadurch eine gute thermische Kopplung zwischen Kühlkörper und Halbleiterlichtquellenanordnung zu ermöglichen.
  • Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Federelement mit Mitteln zur Montage der Beleuchtungseinrichtung an einem Kühlkörper ausgestattet. Dadurch kann eine mechanisch stabile Fixierung der Beleuchtungseinrichtung am Kühlkörper und eine gute thermische Kopplung zwischen dem Kühlkörper und der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung gewährleistet werden. Vorzugsweise umfassen die vorgenannten Montagemittel für den vorgenannten Zweck Schrauben oder Muttern zum Herstellen einer Schraubverbindung zwischen dem mindestens einen Federelement und dem Kühlkörper. Durch die Schraubverbindung kann auf einfache Weise mittels des mindestens einen, vorzugsweise unter mechanischer Spannung stehenden Federelements ein Anpressdruck zwischen der Kontaktfläche des Kühlkörpers und der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung generiert werden.
  • Vorteilhafterweise sind die Stromzuführungen der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung aus dem Material des mindestens einen Federelements geformt. Beispielsweise sind die vorgenannten Stromzuführungen durch einen oder mehrere Stanzprozesse aus dem Material des mindestens einen Federelements geformt. Dadurch wird die Herstellung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung vereinfacht, weil das mindestens eine Federelement und die Stromzuführungen aus einem einzigen Blech gefertigt werden können. Insbesondere kann beispielsweise das vorgenannte Blech mit dem Material des Kunststoffspritzgussteils umspritzt werden und anschließend das mindestens eine Federelement und die Stromzuführungen durch einen oder mehrere Stanzprozesse geformt werden, so dass die Verbindungen zwischen dem mindestens einen Federelement und den Stromzuführungen unterbrochen sind, um eine gegenseitige elektrische Isolierung zu gewährleisten.
  • Das Kunststoffspritzgussteil der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung bildet vorzugsweise einen Stecker aus, um auf einfache Weise eine elektrische Kontaktierung der Beleuchtungseinrichtung mit einem Betriebsgerät oder elektrischen Komponenten einer Betriebsschaltung für die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung zu ermöglichen. Der Stecker kann schon während der Herstellung des Kunststoffspritzgussteils, beim Spritzgießen, geformt werden. Das elektrisch isolierende Material des Kunststoffspritzgussteils kann vorteilhaft zur Fixierung und Isolation der einzelnen Kontakte des Steckers genutzt werden. Vorzugsweise sind die elektrischen Kontakte des Steckers mit den Stromzuführungen für die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung verbunden, um die Halbleiterlichtquellen der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung betreiben zu können. Das Kunststoffspritzgussteil besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren thermoplastischen Kunststoffen aus der Gruppe von Polyphenylensulfid (PPS), Polybutylenterephtalat (PBT), Polyamide (PA), Polyetheretherketon (PEEK) und Liquid Crystal Polymer (LCP). Das Kunststoffspritzgussteil der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise rahmenartig ausgebildet, so dass es die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung nach Art eines Rahmens umgibt und ein Fenster ausbildet, durch das die Lichtemission und die thermische Kopplung einer Oberfläche der Halbleiterlichtquellenanordnung an einen Kühlkörper erleichtert wird.
  • Die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung besitzt vorzugsweise mehrere Halbleiterlichtquellen, beispielsweise Leuchtdioden oder Laserdioden, die auf einem gemeinsamen Träger abgeordnet sind, wobei ein Abschnitt des Trägers in dem Material des Kunststoffspritzgussteils eingebettet ist. Dadurch wird eine mechanisch stabile Baueinheit, bestehend aus der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung, dem mindestens einen Federelement und den Stromzuführungen für die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung generiert. Bei dem vorgenannten gemeinsamen Träger handelt es sich beispielsweise um ein Substrat, auf dem die Halbleiterlichtquellen aufgrund ihres Herstellungsprozesses angeordnet sind.
  • Der vorgenannte Träger besitzt vorzugsweise eine Oberfläche, die für den Kontakt mit einem Kühlkörper zugänglich ist, um eine möglichst gute thermische Kopplung zwischen den Halbleiterlichtquellen und dem Kühlkörper zu gewährleisten.
  • Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mindestens ein optisches Element auf, das optisch an eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung gekoppelt ist und das einen im Material des Kunststoffspritzgussteils eingebetteten Abschnitt besitzt. Mittels des mindestens einen optischen Elements kann das von den Halbleiterlichtquellen emittierte Licht gebündelt werden. Durch das Einbetten eines Abschnitts der mindestens einen Optik in das Material des Kunststoffspritzgussteils wird die mindestens eine Optik in der justierten Ausrichtung bezüglich der Halbleiterlichtquellen zuverlässig fixiert.
  • Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besitzt vorzugsweise auf einer Montageplatine angeordnete elektronische Komponenten einer Betriebsvorrichtung für die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung, wobei die Montageplatine mit den darauf angeordneten elektronischen Komponenten vorzugsweise in dem Material des Kunststoffspritzgussteils eingebettet ist, um diese Komponenten vor Beschädigung zu schützen. Die elektrische Verbindung zwischen den elektronischen Komponenten und der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung erfolgt vorzugsweise mittels Zuleitungen, die als Leiterrahmen (Leadframe) ausgebildet sind und ebenfalls in dem Material des Kunststoffspritzgussteils eingebettet sind.
  • Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung weist vorzugsweise einen Kühlkörper auf, um die von der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung erzeugte Wärme an die Umgebung abführen zu können. Vorzugsweise besitzt der Kühlkörper eine Oberfläche, auf der das mindestens eine Federelement aufliegt. Dadurch wird eine gute thermische Kopplung gewährleistet. Die vorgenannte Oberfläche des Kühlkörpers weist vorzugsweise Referenzmittel auf, die eine eindeutige räumliche Ausrichtung oder Einbaulage der Beleuchtungseinrichtung in einem Fahrzeugscheinwerfer festlegen. Der Kühlkörper ist vorzugsweise mit Kühlrippen versehen, um eine guten Wärmeaustausch mit der Umgebung zu ermöglichen.
  • III. Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 Eine Draufsicht auf die Oberseite einer Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • 2 Eine Draufsicht auf die Unterseite der in 1 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung ohne Kühlkörper
  • 3 Eine perspektivische Darstellung der in 1 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung
  • 4 Eine Seitenansicht der in den 1 bis 3 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung
  • Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um eine mit Halbleiterlichtquellen, insbesondere Leuchtdioden ausgestattete Beleuchtungseinrichtung, die zum Einsatz als Lichtquelle in einem Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen ist. Diese Beleuchtungseinrichtung kann beispielsweise zum Erzeugen eines Tagfahrlichts, Positionslichts, Parklichts oder als Hauptlichtquelle für die Erzeugung von Abblendlicht und Fernlicht verwendet werden.
  • Die in den 1 bis 4 abgebildete Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt eine Halbleiterlichtquellenanordnung 10, die aus fünf, in einer Reihe auf einem gemeinsamen Träger 11 angeordneten Leuchtdiodenchips 12 besteht. Die Leuchtdiodenchips 12 emittieren während des Betriebs der Halbleiterlichtquellenanordnung 10 weißes Licht. Der Träger 11 bildet eine trogartige Aufnahme für die Leuchtdiodenchips 12 und besitzt elektrische Kontakte 111, 112 für die Halbleiterlichtquellenanordnung 10 sowie als Leiterrahmen (Leadframe) ausgebildete elektrische Zuleitungen (nicht abgebildet) für die Leuchtdiodenchips 12. Der Träger 11 kann beispielsweise ein Substrat sein, auf dem die Leuchtdiodenchips 12 schichtweise aufgetragen sind, und kann zum Beispiel aus dem Halbleitermaterial, aus dem auch die Leuchtdiodenchips 12 gefertigt sind, oder aus einem beliebigen anderen geeigneten Material wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer oder Keramik bestehen. Die bauliche Einheit bestehend aus dem Träger 11 und den Leuchtdiodenchips 12 wird auch als Submount bezeichnet. In dem trogartigen Träger 11 kann Leuchtstoff angeordnet sein, der die Leuchtdiodenchips 12 bedeckt, um von den Leuchtdiodenchips 12 generiertes blaues Licht in weißes Licht zu konvertieren.
  • Das metallische Federelement 20 besteht aus Blech, beispielsweise Stahlblech. Es besitzt einen Durchbruch 200 für den Träger 11 der Halbleiterlichtquellenanordnung 10 und zwei an einander gegenüber liegenden Seiten des Trägers 11 angeordnete Abschnitte 21, 22. Diese Abschnitte 21, 22 des Federelements 20 bilden jeweils eine Federlasche 21, 22. In den Federlaschen 21, 22 ist jeweils ein Durchbruch 210, 220 für eine Schraube angeordnet. Aus dem Metall des Federelements 20 sind außerdem zwei Stromzuführungen 23, 24 geformt, die von einer dritten Seite des Trägers 11 der Halbleiterlichtquellenanordnung 10 abstehen und mit den elektrischen Kontakten der Leuchtdiodenchips 12 verbunden sind. Das Federelement 20, die Stromzuführungen 23, 24 und der Träger 11 der Halbleiterlichtquellenanordnung 10 sind partiell in dem Material eines Kunststoffspritzgussteils 30 eingebettet, so dass diese Komponenten nach dem Spritzvorgang eine fest miteinander verbundene Baueinheit bilden. Die beiden Federlaschen 21, 22 ragen seitlich aus dem Kunststoffspritzgussteil 30 heraus. Das Kunststoffspritzgussteil 30 bildet eine rahmenartige Halterung für die Halbleiterlichtquellenanordnung 10 und besitzt im Bereich der Leuchtdiodenchips 12 ein Fenster 31, so dass die Lichtemission der Halbleiterlichtquellenanordnung 10 durch das Kunststoffspritzgussteil 30 nicht behindert wird und die Bodenfläche 110 des Trägers 11, die an der von den Leuchtdiodenchips 12 abgewandten Unterseite des Trägers 11 der Halbleiterlichtquellenanordnung 10 angeordnet ist, aus dem Kunststoffspritzgussteil 30 herausragt. Nach Fertigstellung des Kunststoffspritzgussteils 30 werden die über das Fenster 31 zugänglichen, verbliebenen Verbindungsstege 25, 26 zwischen den Stromzuführungen 23, 24 und dem Federelement 20 durchtrennt, so dass die Stromzuführungen 23, 24 isoliert voneinander und auch isoliert von dem Federelement 20 angeordnet sind. Das Kunststoffspritzgussteil 30 weist einen als Stecker ausgebildeten Abschnitt 32 aufweisen, dessen elektrische Steckerkontakte 33 mit den Stromzuführungen 23, 24 verbunden sind.
  • Die Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt außerdem einen mit Kühlrippen 41 versehenen metallischen Kühlkörper 40 mit einer planen Oberfläche 42. In der planen Oberfläche 42 des Kühlkörpers 40 sind zwei Passbohrungen 43 zur Aufnahme der oben genannten Schrauben (nicht abgebildet) angeordnet, die zum Verschrauben der Federlaschen 21, 22 mit dem Kühlkörper 40 dienen. Die Baueinheit bestehend aus dem Federelement 20, der Halbleiterlichtquellenanordnung 10 und den Stromzuführungen 23, 24 sowie dem Kunststoffspritzgussteil 30 ist mittels der vorgenannten Schrauben und Passbohrungen 43 auf der Oberfläche 42 des Kühlkörpers 40 fixiert. Die beiden Federlaschen 21, 22 üben nach dem Verschrauben mit dem Kühlkörper 40 eine Kraft auf die vorgenannte Baueinheit aus, so dass die Baueinheit an die Oberfläche 42 des Kühlkörpers 40 gepresst wird und mittels der Schraubverbindung eine stabile mechanische Anbindung der Baueinheit an den Kühlkörper erreicht wird. Mittels der Federlaschen 21, 22 wird die Bodenfläche 110 an der Unterseite des Trägers 11 der Halbleiterlichtquellenanordnung 10 an die Oberfläche 42 des Kühlkörpers 40 gepresst und so eine gute thermische Kopplung zwischen der Halbleiterlichtquellenanordnung 10 und dem Kühlkörper 40 erzielt.
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher erläuterte Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann die Beleuchtungseinrichtung zusätzlich eine Optik, insbesondere eine Primäroptik, aufweisen, die unmittelbar auf dem Träger 11 über den Leuchtdiodenchips 12 angeordnet ist und optisch an die Leuchtdiodenchips 12 gekoppelt ist, um deren Licht zu bündeln. Ein Abschnitt, beispielsweise ein Randabschnitt, dieser Optik kann ebenfalls in dem Material des Kunststoffspritzgussteils 30 eingebettet sein. Außerdem kann die Beleuchtungseinrichtung Komponenten einer Betriebsvorrichtung für die Halbleiterlichtquellenanordnung 10 enthalten, die beispielsweise auf einer Montageplatine angeordnet sind und in dem Material des Kunststoffspritzgussteils 30 eingebettet sind. Ferner können auf der Oberfläche 42 des Kühlkörpers 40 Stege oder ähnliche Referenzmittel zur Festlegung einer eindeutigen Orientierung oder Einbaulage der Beleuchtungseinrichtung vorgesehen sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2010/000614 A1 [0002]

Claims (14)

  1. Beleuchtungseinrichtung, die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung (10), mindestens ein Federelement (20) und Stromzuführungen (23, 24) für die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Bereich der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung (10), des mindestens einen Federelements (20) und der Stromzuführungen (23, 24) in dem Material eines Kunststoffspritzgussteils (30) eingebettet ist.
  2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Kunststoffspritzgussteil (30) rahmenartig ausgebildet ist und ein Fenster (31) für die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung (10) aufweist.
  3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kunststoffspritzgussteil (30) einen Stecker (32) ausbildet.
  4. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei der Stecker (32) elektrische Steckerkontakte (33) besitzt, die mit den Stromzuführungen (23, 24) verbunden sind.
  5. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mindestens eine Federelement (20) einen Durchbruch (200) für die Halbleiterlichtquellenanordnung (10) aufweist.
  6. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mindestens eine Federelement (20) Mittel (21, 22, 43) zur Montage der Beleuchtungseinrichtung an einem Kühlkörper (40) aufweist.
  7. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stromzuführungen (23, 24) aus dem Material des mindestens einen Federelements (20) geformt sind.
  8. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens eine Halbleiterlichtquellenanordnung (10) mehrere Halbleiterlichtquellen (12) aufweist, die auf einem gemeinsamen Träger (11) angeordnet sind, wobei zumindest ein Abschnitt des Trägers (11) in dem Material des Kunststoffspritzgussteils (30) eingebettet ist.
  9. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei der Träger (11) eine Oberfläche (110) aufweist, die für den Kontakt mit einem Kühlkörper (40) zugänglich ist.
  10. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mindestens ein optisches Element vorgesehen ist, das optisch an die Halbleiterlichtquellen (12) der mindestens einen Halbleiterlichtquellenanordnung (10) gekoppelt ist und das einen im Material des Kunststoffspritzgussteils (30) eingebetteten Abschnitt aufweist.
  11. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Beleuchtungseinrichtung Komponenten einer Betriebsvorrichtung für die Halbleiterlichtquellenanordnung (10) aufweist.
  12. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 11, wobei die Komponenten der Betriebsvorrichtung auf einer Montageplatine angeordnet sind und die Montageplatine mit den Komponenten der Betriebsvorrichtung in dem Material des Kunststoffspritzgussteils (30) eingebettet ist.
  13. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen Kühlkörper (40) aufweist.
  14. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 13, wobei der Kühlkörper (40) eine Oberfläche (42) besitzt, die im Kontakt mit der Oberfläche (110) des Trägers (11) ist.
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