DE102012218059A1 - LED lamp for generating predeterminable distribution of luminous intensity in photometric far-field, has reflector arranged opposite to carrier element, where upper surface of carrier element comprises three-dimensional structure - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft eine LED-Leuchte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer LED-Leuchte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7. The invention relates to an LED lamp according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing an LED lamp according to the preamble of patent claim 7.
Stand der Technik State of the art
Aus dem Stand der Technik sind Leuchten bekannt, die zur Erzeugung einer bestimmten Abstrahlcharakteristik, wie einer Batwing-Lichtstärkeverteilung, sehr aufwendige Optiken, wie z.B. Batwing-Linsen oder aufwendig geformte Reflektoren, aufweisen. Beispielsweise werden für Leuchten als auch Autoscheinwerfer, die eine besondere Abstrahlung im photometrischen Fernfeld wie Batwing, Spot, Wallwasher oder eine Asymmetrie zeigen, relativ aufwendige und dadurch teure 2D- und 3D-Optiken bzw. Reflektoren benötigt. Dabei werden für komplexe Reflektoren Spritzgussteile geformt und verchromt, deren Reflexionsgrad relativ niedrig ist (ca. 83%). Luminaires are known from the prior art which, in order to produce a specific emission characteristic, such as a Batwing luminous intensity distribution, have very complex optics, such as e.g. Batwing lenses or elaborately shaped reflectors having. For example, relatively complex and thus expensive 2D and 3D optics or reflectors are required for lights and car headlights, which show a special radiation in the photometric far field such as Batwing, Spot, Wallwasher or asymmetry. Injection molded parts are formed and chrome plated for complex reflectors, whose reflectance is relatively low (about 83%).
In
Nachteilig dabei ist, dass die Reflektoren zur Erzeugung einer gewünschten Lichtstärkeverteilung im photometrischen Fernfeld sehr komplex geformt sein müssen und dadurch sehr teuer und aufwendig herzustellen sind. Darüber hinaus bedingt die aufwendige Herstellung der Reflektoren, die verformt, gewalzt oder gedrückt werden müssen, dass sich derartig komplexe Reflektoren mit nur relativ niedrigen Reflexionsgraden umsetzen lassen. The disadvantage here is that the reflectors to produce a desired light distribution in the photometric far field must be very complex and thus are very expensive and expensive to produce. In addition, the complex production of the reflectors, which must be deformed, rolled or pressed, that such complex reflectors can be implemented with only relatively low reflectivities.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine LED-Leuchte und ein Verfahren zur Herstellung einer LED-Leuchte bereitzustellen, mittels welchen mit weniger Aufwand eine vorgebbare Lichtstärkeverteilung erzeugbar ist. The object of the present invention is to provide an LED luminaire and a method for producing an LED luminaire, by means of which a specifiable luminous intensity distribution can be generated with less effort.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine LED-Leuchte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7. This object is achieved by an LED lamp having the features of patent claim 1 and a method having the features of patent claim 7.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Particularly advantageous embodiments can be found in the dependent claims.
Die erfindungsgemäße LED-Leuchte zur Erzeugung einer vorgebbaren Lichtstärkeverteilung im photometrischen Fernfeld umfasst ein Trägerelement und eine Mehrzahl von auf dem Trägerelement angeordneten LEDs, wobei der Bereich des Trägerelements, in dem die LEDs angeordnet sind, als eine Oberfläche des Trägerelements definiert ist. Weiterhin umfasst die LED-Leuchte einen Reflektor, der derart gegenüber dem Trägerelement angeordnet ist, dass Licht der LEDs zumindest zum Teil am Reflektor reflektierbar ist. Dabei weist die Oberfläche des Trägerelements eine dreidimensionale Struktur auf. The LED luminaire according to the invention for generating a predefinable light intensity distribution in the photometric far field comprises a carrier element and a plurality of LEDs arranged on the carrier element, wherein the region of the carrier element in which the LEDs are arranged is defined as a surface of the carrier element. Furthermore, the LED lamp comprises a reflector, which is arranged in such a way with respect to the carrier element, that light of the LEDs is at least partially reflectable on the reflector. In this case, the surface of the carrier element has a three-dimensional structure.
Die dreidimensionale Struktur der Oberfläche ist dabei so zu verstehen, dass die Oberfläche, also der Bereich des Trägerelements, in dem die LEDs angeordnet sind, zumindest nicht vollständig in einer Ebene liegt, im Gegensatz zu den im Stand der Technik üblicherweise verwendeten ebenen Platinen, auf denen die LEDs angeordnet sind. The three-dimensional structure of the surface is understood to mean that the surface, ie the region of the carrier element in which the LEDs are arranged, is at least not completely in one plane, in contrast to the planar circuit boards commonly used in the prior art where the LEDs are arranged.
Die dreidimensionale Struktur der Oberfläche kann so ausgestaltet werden, dass durch die Geometrie der Oberfläche und der darauf angeordneten LEDs deren räumliche Anordnung und Abstrahlrichtung durch die Geometrie der dreidimensionalen Struktur vorgegeben werden kann. Dies ermöglicht es in Kombination mit einem sehr einfach ausgestalteten Reflektor eine vorgebbare Lichtstärkeverteilung zu erzeugen. Insbesondere wird erst durch die Ausgestaltung der Oberfläche des Trägerelements mit einer dreidimensionalen Struktur eine Ausbildung des Reflektors mit einer sehr einfachen Geometrie ermöglicht. So lässt sich durch diese einfache und besonders vorteilhafte Anordnung im photometrischen Fernfeld eine Lichtstärkeverteilung wie beispielsweise eine Batwing-Lichtstärkeverteilung oder ein Spot erzeugen, ohne dass dafür teuere und komplex geformte Optiken bzw. Reflektoren erforderlich sind. The three-dimensional structure of the surface can be designed such that the spatial arrangement and emission direction can be predetermined by the geometry of the three-dimensional structure due to the geometry of the surface and the LEDs arranged thereon. This makes it possible to produce a predefinable light intensity distribution in combination with a very simply designed reflector. In particular, the design of the surface of the carrier element with a three-dimensional structure makes it possible to design the reflector with a very simple geometry. Thus, by means of this simple and particularly advantageous arrangement in the far-field photometric field, a light intensity distribution such as, for example, a Batwing light intensity distribution or a spot can be produced without requiring expensive and complex-shaped optics or reflectors.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Reflektor eben oder dreidimensional ausgestaltet sein. In an advantageous embodiment of the invention, the reflector may be configured flat or three-dimensional.
Dreidimensional bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass der Reflektor ein Volumen bzw. eine Dicke ungleich 0 besitzt, sondern ist auf die Oberflächengeometrie des Reflektors bezogen. D.h. dass eine Oberfläche des Reflektors bei einer dreidimensionalen Ausbildung des Reflektors, zumindest nicht vollständig in einer Ebene liegt. Three-dimensional means in this context not that the reflector has a volume or a thickness not equal to 0, but is based on the surface geometry of the reflector. That that a surface of the reflector in a three-dimensional design of the reflector, at least not completely in a plane.
Bei einer dreidimensionale Ausgestaltung des Reflektors lassen sich in Kombination mit der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägerelements der LED-Leuchte eine Vielzahl an gewünschten, vorgebbaren Lichtstärkeverteilungen auf sehr einfache Weise realisieren. Für die Erzeugung einer gewünschten Lichtstärkeverteilung können so deutlich weniger aufwendig ausgestaltete Reflektoren in Bezug auf die Komplexität ihrer Geometrie verwendet werden, welche somit auch kostengünstiger und weniger aufwendig herzustellen sind. Natürlich können auch weiterhin komplexer geformte dreidimensionale Reflektoren verwendet werden. Vor allem in Kombination mit der dreidimensional ausgebildeten Oberflächenstruktur des Trägerelements können so auf besonders vorteilhafte Weise auch äußerst komplexe Abstrahlcharakteristiken der LED-Leuchte umgesetzt werden, wie sie bisher im Stand der Technik mit ebenen Trägerelementen nicht möglich waren. In a three-dimensional refinement of the reflector, in combination with the three-dimensional surface structure of the carrier element of the LED luminaire, a multiplicity of desired, specifiable luminous intensity distributions can be realized in a very simple manner. For the generation of a desired light intensity distribution, it is thus possible to use reflectors which are much less elaborately designed with respect to the complexity of their geometry, which are therefore also less expensive and less expensive to produce. Of course, even more complex shaped three-dimensional reflectors can be used. Especially in combination with the three-dimensional surface structure of the support element can thus be implemented in a particularly advantageous manner and extremely complex emission characteristics of the LED lamp, as they were previously not possible in the art with planar support elements.
Besonders vorteilhaft ist auch die Ausbildung des Reflektors als ebener Reflektor. Der flache Reflektor braucht nicht verformt, gewalzt oder gedrückt zu werden und seine Oberfläche bleibt unverletzt. So kann der Reflektor wesentlich preisgünstiger ausgestaltet werden und gleichzeitig kann der Reflexionsgrad des Reflektors erhöht werden. Particularly advantageous is the formation of the reflector as a planar reflector. The flat reflector does not need to be deformed, rolled or pressed, and its surface remains uninjured. Thus, the reflector can be made much cheaper and at the same time, the reflectance of the reflector can be increased.
Bei der Ausbildung des Reflektors, sowohl eines dreidimensionalen als auch eines ebenen, stehen eine Vielzahl an Möglichkeiten bereit. Der Reflektor kann beispielsweise metallisch oder nicht metallisch, wie z.B. aus Porzellan, Plastik, glänzenden Materialien, usw. sein. darüber hinaus kann die Oberfläche des Reflektors auch beschichtet sein bzw. eine Oberfläche aus Glas, Porzellan, glänzenden Materialien mit Fresnelreflektion und/oder hoher Reflektion bei Streiflichteinfall aufweisen. Der Reflektor kann auch aus gemischten Materialien sein und Kombinationen von nicht metallischen Materialien mit Metallen aufweisen, sowie auch Kombinationen von diffus und gerichtet reflektierenden Flächen. In the design of the reflector, both a three-dimensional and a flat, a variety of options are available. The reflector may be metallic or non-metallic, e.g. made of porcelain, plastic, shiny materials, etc. In addition, the surface of the reflector may also be coated or have a surface of glass, porcelain, glossy materials with Fresnel reflection and / or high reflection in incident light. The reflector may also be of mixed materials and have combinations of non-metallic materials with metals, as well as combinations of diffused and directionally reflective surfaces.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Reflektor eine reflektive Silberschicht aufweisen, insbesondere kann der Reflektor aus Aluminium sein und eine hochreflektiven Silberschicht aufweisen. Optional kann der Reflektor auch eine diffus reflektierende, weiße Kunststofffolie mit poröser Struktur aufweisen. Durch die poröse Struktur der Folie ist zum einen die diffuse Streuung des Lichts bedingt, zum anderen wird dadurch ebenfalls enorm hoher Reflexionsgrad ermöglicht. Die durch die Erfindung bereitgestellte einfache Geometrie des Reflektors, insbesondere bei einer ebenen Ausbildung des Reflektors, ermöglicht erst die Verwendung derartig hoch reflektiver Schichten und Folien. Derartige Schichten und Folien können bei komplex ausgestalteten Reflektoren nicht verwendet werden, da bei der Ausbildung dieser Reflektoren diese Schichten reißen und beschädigt werden würden. Durch einen ebenen Reflektor wird es somit möglich, den Reflexionsgrad des Reflektors beträchtlich zu erhöhen. Insbesondere können so Reflexionsgrade erzielt werden, die über 95%, insbesondere sogar über 98% liegen. In an advantageous embodiment of the invention, the reflector may have a reflective silver layer, in particular, the reflector may be made of aluminum and have a highly reflective silver layer. Optionally, the reflector may also have a diffusely reflecting, white plastic film with a porous structure. Due to the porous structure of the film, on the one hand, the diffuse scattering of the light is due, on the other hand, this also allows enormously high reflectance. The simple geometry of the reflector provided by the invention, in particular with a planar design of the reflector, allows the use of such highly reflective layers and films. Such layers and films can not be used in complex designed reflectors, since in the formation of these reflectors tear these layers and would be damaged. By a flat reflector, it is thus possible to increase the reflectance of the reflector considerably. In particular, it is thus possible to achieve reflectivities which are more than 95%, in particular even more than 98%.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Oberfläche des Trägerelements mindestens zwei Bereiche auf, die jeweils durch eine Ebene approximierbar sind, wobei die Ebenen einen Winkel miteinander einschließen, der von 180° verschieden ist. Bevorzugt kann die Oberfläche des Trägerelements auch in Form von zwei sich schneidenden Ebenen ausgebildet sein. Der Schnittwinkel bzw. der Winkel, den die Ebenen miteinander einschließen, kann dabei so bemessen sein, dass eine gewünschte Abstrahlcharakteristik durch die auf der Oberfläche angeordneten LEDs entsprechend einer vorgegebenen Lichtstärkeverteilung erzielbar ist. Darüber hinaus ist auch die Neigung des Reflektors, insbesondere eines ebenen Reflektors, gegenüber dem Trägerelement variabel. Auch dieser Neigungswinkel, insbesondere der Neigungswinkel der Ebenen, die die Oberfläche des Trägerelements approximieren, kann derart eingestellt werden bzw. bemessen sein, dass eine vorgebbare Lichtstärkeverteilung, wie Batwing oder Spot, im Fernfeld erzeugbar ist. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist es, dass durch sehr einfache Geometrien, sowohl die des Reflektors als auch durch die des Trägerelements, eine Vielzahl an vorgebbaren Lichtstärkeverteilungen im Fernfeld erzeugbar ist. In an advantageous embodiment of the invention, the surface of the support element on at least two areas, which are each approximable by a plane, wherein the planes form an angle with each other, which is different from 180 °. Preferably, the surface of the carrier element may also be in the form of two intersecting planes. The angle of intersection or the angle that the planes enclose with one another can be dimensioned such that a desired emission characteristic can be achieved by the LEDs arranged on the surface in accordance with a predetermined light intensity distribution. In addition, the inclination of the reflector, in particular a planar reflector, with respect to the carrier element is variable. This inclination angle, in particular the angle of inclination of the planes which approximate the surface of the carrier element, can also be adjusted or dimensioned such that a predefinable light intensity distribution, such as batwing or spot, can be generated in the far field. It is particularly advantageous in this embodiment that a plurality of predefinable light intensity distributions in the far field can be generated by very simple geometries, both those of the reflector and those of the carrier element.
Darüber hinaus stehen auch eine Vielzahl an Möglichkeiten bereit, das Trägerelement auszugestalten. In addition, a variety of ways are available to design the support element.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Trägerelement einen Grundkörper umfassen, auf dem mindestens eine Leiterplatte mit einer Mehrzahl an Leiterbahnen angeordnet ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer Ausbildung der Oberfläche des Trägerelements als ebene Flächen. Auf den Grundkörper, der vorzugsweise aus einem Metall ist, kann beispielsweise eine flexible Leiterplatte aufgeklebt werden. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach und kostengünstig und eignet sich vor allem für einfachere Geometrien des Trägerelements. In an advantageous embodiment of the invention, the carrier element may comprise a base body on which at least one printed circuit board is arranged with a plurality of conductor tracks. This is particularly advantageous in a design of the surface of the carrier element as flat surfaces. On the body, which is preferably made of a metal, for example, a flexible circuit board can be glued. This embodiment is particularly simple and inexpensive and is particularly suitable for simpler geometries of the support element.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Trägerelement als Grundkörper mit einer Mehrzahl an Leiterbahnen ausgebildet sein. Dabei können die Leiterbahnen oder auch Metallpads und Durchkontaktierungen durch Laserdirektstrukturierung oder durch Aufprägen einer strukturierten Metallfolie auf dem Grundkörper erzeugt werden. Der Grundkörper kann dabei aus einem Kunststoff gebildet sein, bevorzugt aus einem thermoplastischen, partiell metallisierten Kunststoff, der sich besonders gut zur Erzeugung von Leiterbahnen mittels Laserdirektstrukturierung eignet. Durch Extrusion oder Spritzguss lassen sich beliebige Geometrien des Grundkörpers und insbesondere seiner Oberfläche realisieren, wobei die Geometrie des Grundkörpers vorteilhafterweise auf die gewünschte zu erzeugende Abstrahlcharakteristik der LED-Leuchte angepasst werden kann. So lassen sich durch die Vielzahl an möglichen Ausbildungsvarianten des Grundkörpers der LED-Leuchte eine Vielzahl von Lichtstärkeverteilungen umsetzen, ohne dass dafür aufwendige, teure und komplexe Optiken bzw. Reflektoren benötigt werden. In a further advantageous embodiment of the invention, the carrier element may be formed as a base body with a plurality of conductor tracks. In this case, the conductor tracks or else metal pads and plated-through holes can be produced by direct laser structuring or by embossing a structured metal foil on the base body. The main body can be formed from a plastic, preferably from a thermoplastic, partially metallized plastic, which is particularly well suited for the production of printed conductors by laser direct structuring. By extrusion or injection molding, any geometry of the base body and in particular its surface can be realized, wherein the geometry of the base body can be advantageously adapted to the desired emission characteristic of the LED light to be generated. Thus can be implemented by the large number of possible training variants of the main body of the LED light a variety of luminous intensity distributions, without the need for complex, expensive and complex optics or reflectors.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer LED-Leuchte zur Erzeugung einer vorgebbaren Lichtstärkeverteilung umfasst die Schritte:
- – Herstellen eines Grundkörpers mit einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur;
- – Erzeugen von Leiterbahnen mit einer dreidimensionalen Leiterbahnstruktur auf dem Grundkörper;
- – Anordnen von LEDs auf den Leiterbahnen; und
- – Anordnen eines Reflektors gegenüber dem Grundkörper in einem vorgebbaren Winkel, so dass Licht der LEDs zumindest zum Teil vom Reflektor reflektiert wird.
- - Producing a base body with a three-dimensional surface structure;
- - generating conductor tracks with a three-dimensional conductor track structure on the base body;
- - Arranging LEDs on the tracks; and
- - Arranging a reflector relative to the base body in a predetermined angle, so that light from the LEDs is at least partially reflected by the reflector.
Das Herstellen eines Grundkörpers mit einer dreidimensional strukturierten Oberfläche und dem Anordnen des Grundkörpers mit den LEDs gegenüber einem eben ausgebildeten Reflektor können vorgebbare Lichtstärkeverteilungen erzeugt werden, wie Batwing, Spot, Wallwasher oder mit einer Asymmetrie, ohne dafür aufwendig ausgestaltete, komplexe und teuere Reflektoren herstellen zu müssen. Diese Lichtstärkeverteilungen können mit einem dreidimensional ausgebildeten Reflektor umgesetzt werden, vorteilhafterweise lassen sich diese Lichtstärkeverteilungen aber auch mit einem eben ausgebildeten Reflektor realisieren. Durch dieses Verfahren lässt sich somit eine LED-Leuchte zur Erzeugung einer vorgebbaren Lichtstärkeverteilung im photometrischen Fernfeld mit deutlich reduziertem Aufwand herstellen. Producing a basic body with a three-dimensionally structured surface and arranging the basic body with the LEDs in relation to a flat reflector can be used to generate predefinable light intensity distributions, such as batwing, spotlights, wallwashers or with an asymmetry, without elaborately designing complex, expensive reflectors have to. These light intensity distributions can be implemented with a three-dimensionally formed reflector, but advantageously these light intensity distributions can also be realized with a flat reflector. By this method, thus, an LED lamp for generating a predetermined luminous intensity distribution in the far photometric field can be produced with significantly reduced effort.
Insbesondere ist das Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen LED-Leuchte oder einer ihrer Ausgestaltungsvarianten geeignet. Alle im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen LED-Leuchte genannten Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungsvarianten gelten, soweit anwendbar, auch für das erfindungsgemäße Verfahren. In particular, the method is suitable for producing an LED lamp according to the invention or one of its design variants. All mentioned in connection with the LED lamp according to the invention advantages, features and design variants apply, as applicable, also for the inventive method.
Bevorzug wird dabei der Grundkörper mittels Spritzgussverfahren hergestellt wird, was den Vorteil hat, dass der Grundkörper in seiner geometrischen Ausgestaltung beliebig geformt werden kann, je nach gewünschter Abstrahlcharakteristik. Favor is while the main body is made by injection molding, which has the advantage that the base body can be arbitrarily shaped in its geometric configuration, depending on the desired radiation characteristics.
Weiterhin ist es bevorzugt, die Leiterbahnen mittels Laserdirektstrukturierung zu erzeugen. So können auch auf komplexen dreidimensionalen Oberflächenstrukturen des Grundkörpers sehr einfach Leiterbahnen erzeugt werden, ohne sich bei der geometrischen Ausgestaltung des Grundkörpers einschränken zu müssen. Furthermore, it is preferable to produce the printed conductors by means of laser direct structuring. In this way it is possible to very easily produce conductor tracks even on complex three-dimensional surface structures of the base body, without having to restrict oneself to the geometric configuration of the basic body.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawing.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen: In the following, the invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments. The figures show:
Bevorzugte Ausführung der Erfindung Preferred embodiment of the invention
Durch diese Anordnung lässt sich auf besonders einfache und vorteilhafte Weise im photometrischen Fernfeld eine vorgebbare Lichtstärkeverteilung, wie Batwing, Spot usw., erzeugen, ohne dass dafür teuere und komplex geformte Optiken bzw. Reflektoren erforderlich sind. Durch die dreidimensionale Ausbildung der Oberfläche
So kann bereits allein durch unterschiedliche Neigung der Bereiche der Bereiche der Oberfläche
Natürlich können in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen auch dreidimensionale Reflektoren verwendet werden, um beispielsweise noch mehr Vielfalt an möglichen Abstrahlcharakteristiken bzw. Lichtstärkeverteilungen bereitzustellen. Of course, three-dimensional reflectors can also be used in the preceding exemplary embodiments in order to provide, for example, even more diversity of possible emission characteristics or light intensity distributions.
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