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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit einer Mehrzahl LEDs, die auf einem Substrat angeordnet sind.
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Stand der Technik
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Eine „Beleuchtungseinheit“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung beispielsweise ein mit einer Mehrzahl LEDs versehenes Leuchtmittel sein, das mit einem Sockel ausgestattet in eine Leuchte gesetzt werden kann. Das Leuchtmittel kann beispielsweise als Ersatz für eine Glühlampe dienen und sich im Vergleich zu dieser durch einen geringeren Energieverbrauch im Betrieb und eine höhere Lebensdauer auszeichnen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Beleuchtungseinheit mit einer Mehrzahl LEDs sowie ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der Beleuchtungseinheit anzugeben.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Beleuchtungseinheit mit einem Hohlkörper aus einem Kunststoffmaterial als Substrat, welcher Hohlkörper eine Außenoberfläche und eine entgegengesetzte Innenoberfläche hat, wobei letztere ein Hohlkörper-Innenvolumen zumindest teilweise begrenzt, einer Mehrzahl LEDs, die auf der Außenoberfläche des Hohlkörpers angeordnet sind, und einer Leiterbahnstruktur, welche mit den LEDs elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Leiterbahnstruktur auf der Innenoberfläche des Hohlkörpers angeordnet ist und die elektrisch leitende Verbindung zu den LEDs über Durchkontakte hergestellt ist, welche durch das Kunststoffmaterial geführt sind.
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Als Substrat dient also ein Hohlkörper mit dementsprechend einer Innenoberfläche, welche der mit den LEDs versehenen Außenoberfläche entgegengesetzt liegt und die Leiterbahnstruktur trägt. Der Hohlkörper ist aus einem Kunststoffmaterial vorgesehen, weil sich dieses in einer nachstehend im Detail beschriebenen Weise gut formen lassen kann, was insbesondere auch hinsichtlich einer Massenfertigung von Interesse ist.
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Das Substrat ist hohlkörperförmig, es ist also die Außenoberfläche jedenfalls abschnittsweise konvex und die Innenoberfläche jedenfalls abschnittsweise konkav. Mit der zumindest teilweisen Konvexität der Außenoberfläche lassen sich nun die LEDs einerseits so anordnen, dass die jeweilig emittierten Strahlenbündel zueinander divergieren, was wie nachstehend im Detail erläutert eine großwinkelige Abstrahlcharakteristik ermöglichen kann.
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Andererseits ist die der elektrischen Versorgung dienende Leiterbahnstruktur auf der Innenoberfläche angeordnet, also der Beleuchtungsanwendung abgewandt, was auch hinsichtlich der Lichtabgabe von Interesse sein kann. Die Außenoberfläche kann nämlich beispielsweise diffus reflektierend sein, und es ist diese Oberflächeneigenschaft dann nicht durch die Leiterbahnstruktur beeinträchtigt. Zudem ist die Leiterbahnstruktur auf der Innenoberfläche auch gut geschützt, beispielsweise vor einer mechanischen Einwirkung beim Austausch der Beleuchtungseinheit, etwa wenn beim Eindrehen oder -stecken in eine Leuchte die Außenoberfläche gegriffen wird.
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Auch wenn das Hohlkörper-Innenvolumen bei bevorzugten Ausführungsformen für sich betrachtet, also unter Zugrundelegung allein des Hohlkörpers, zu einer Seite hin offen ist, ist das Innenvolumen bei Betrachtung der Beleuchtungseinheit im Gesamten dann vorzugsweise gleichwohl abgeschlossen, besonders bevorzugt mit einem Sockelelement. Die Leiterbahnstruktur kann auf der Innenoberfläche also auch gut vor Umwelteinflüssen geschützt sein, und es kann vorzugsweise auf eine die Leiterbahnstruktur bedeckende Passivierungsschicht (mit einer Dicke üblicherweise im Bereich der Leiterbahndicke, etwa von maximal 30 µm, 20 µm bzw. 10 µm) verzichtet werden.
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Die „Mehrzahl“ LEDs sind auf mindestens zwei LEDs zu lesen, und es können insgesamt auch eine Vielzahl LEDs vorgesehen sein, etwa mindestens drei, fünf, sieben, neun bzw. zehn LEDs. Dabei müssen im Allgemeinen nicht sämtliche LEDs der Beleuchtungseinheit mit der Leiterbahnstruktur auf der Innenoberfläche verbunden sein, vorzugsweise ist dies jedoch so. Die Leiterbahnstruktur auf der Innenoberfläche kann die Mehrzahl LEDs miteinander verbinden, etwa in Serie schalten, wobei die LEDs auch in mehrere Gruppen unterteilt jeweils (je Gruppe) miteinander verbunden sein können. Letzteres kann beispielsweise hinsichtlich einer Beschaltung Vorteile bieten, etwa wenn die Beleuchtungseinheit mit einer Netzspannung betrieben wird.
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Einer LED, vorzugsweise einer jeden LED, ist auf der Innenoberfläche eine Leiterbahn zugeordnet, die über einen der Durchkontakte elektrisch leitend mit der LED verbunden ist. „Leiterbahnstruktur“ bezieht sich also auf eine Vielzahl Leiterbahnen. Wenngleich der „Durchkontakt“ im Allgemeinen beispielsweise auch durch ein lokales Dotieren des Kunststoffmaterials mit elektrisch leitfähigen Füllerpartikeln hergestellt sein könnte, handelt es sich dabei vorzugsweise um ein Durchgangsloch zwischen Innen- und Außenoberfläche, welches mit einem metallischleitfähigen Material aufgefüllt ist, vorzugsweise einem Metall.
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Die LEDs sind bevorzugt jeweils mit einer flächigen, besonders bevorzugt planen Anlage auf der Außenoberfläche angeordnet, was nicht meinen soll, dass die jeweilige LED unmittelbar auf der Außenoberfläche selbst aufliegen muss. Vielmehr ist sie vorzugsweise über eine flächige Schicht damit (oder einer Kontaktstelle darauf, siehe unten) verbunden, etwa über eine Fügeverbindungsschicht, zum Beispiel eine Lot- oder Klebstoffschicht. Vorzugsweise wird eine solche Verbindungsschicht vergleichsweise dünn vorgesehen, also beispielsweise mit einer Dicke von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt nicht mehr als 200 µm, 150 µm bzw. 100 µm.
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Im Allgemeinen kann „LED“ auch einen für sich nicht gehäusten LED-Chip meinen; vorzugsweise sind die „LEDs“ jeweils für sich gehäuste Bauteile, die auf dem Hohlkörper angeordnet sind.
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Als „Kunststoffmaterial" kann beispielsweise Polypropylen (PP, insbesondere strahlenvernetzt), Polyamid (zum Beispiel PA6, PA66, PA10, PA11, PA12), insbesondere hochtemperaturbeständiges Polyamid wie PPA oder PA46, Polyester (zum Beispiel PBT, PET, PBT/PET, PCT, ABS, ABS/PC), Polyphenylensulfid, LCP und/oder PEEK vorgesehen sein.
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Die Innenoberfläche begrenzt das Hohlkörper-Innenvolumen zumindest teilweise, es kann also auch offen sein (vorzugsweise ist es an genau einer Stelle offen). Jedenfalls bereichsweise soll einem Punkt auf der Innenoberfläche ein anderer Punkt auf der Innenoberfläche gegenüberliegen (über das Hohlkörper-Innenvolumen dazu beabstandet); wird also in anderen Worten in einen Ausgangspunkt auf der Innenoberfläche eine Normale gelegt, schneidet diese dann auch einen anderen Punkt auf der Innenoberfläche. Da das Hohlkörper-Innenvolumen bei bevorzugten Ausführungsformen offen ist, gilt dies nicht zwingend für die gesamte Innenoberfläche, weil nämlich ein Bereich der Innenoberfläche der Öffnung gegenüberliegen kann (vgl. 1). Die „Innenoberflächen-Normalen-Bedingung“ soll jedoch vorzugsweise für mindestens 30 %, 40 %, 50 %, 60 % bzw. 70 % der Innenoberfläche erfüllt sein (also für die in der entsprechenden Fläche liegenden Ausgangspunkte).
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Die Außenoberfläche des Hohlkörpers ist dem von der Beleuchtungseinheit im Betrieb beleuchteten Volumen zugewandt, also der Beleuchtungsanwendung. Vorzugsweise fällt bereichsweise auch von der Beleuchtungseinheit abgegebenes Licht auf die Außenoberfläche, etwa auf mindestens 30 %, 50 % bzw. 70 % davon (und beispielsweise auf höchstens 90 %). Auf die Innenoberfläche fällt vorzugsweise kein von der Beleuchtungseinheit abgegebenes Licht. Auch wenn die Außenoberfläche der Beleuchtungsanwendung „zugewandt“ ist, schließt dies im Allgemeinen nicht das Vorhandensein eines Hüllkörpers um den Hohlkörper aus. Es könnte also beispielsweise eine Beschichtung aufgebracht oder der Hohlkörper in einem vorzugsweise diffus-streuenden Hüllkörper angeordnet sein (mit seiner Außenoberfläche zur Innenoberfläche des Hüllkolbens beabstandet); sowohl eine diffus streuende Beschichtung als auch ein entsprechender Hüllkolben können einer Homogenisierung des von den einzelnen LEDs insoweit punktuell abgegebenen Lichts dienen.
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Anderseits kann auch die Außenoberfläche des Hohlkörpers bei bevorzugten Ausführungsformen auch die Außenoberfläche der Beleuchtungseinheit darstellen, was etwa hinsichtlich eines insgesamt vereinfachten Aufbaus und einer damit kostengünstigen Herstellung von Interesse sein kann.
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Wenngleich der aus dem Kunststoffmaterial vorgesehene Substratkörper für sich betrachtet hohl ist, kann das Hohlkörper-Innenvolumen in bevorzugter Ausgestaltung gleichwohl besetzt sein, etwa mit einer Steuer-/Treiberelektronik bestückt und/oder mit einem Verfüllmaterial aufgefüllt (siehe unten im Detail).
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, wobei in der Darstellung auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrensaspekten, insbesondere die Herstellung betreffend, sowie Verwendungen der Beleuchtungseinheit unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Bereich der Außenoberfläche als Anordnungsbereich vorgesehen und gegenüber einem ihn umgebenden Bereich nach innen abgesenkt, also in Richtung des Hohlkörper-Innenvolumens. In dem Anordnungsbereich ist – dementsprechend auch ein Stück weit abgesenkt – dann eine LED angeordnet, vorzugsweise genau eine LED.
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Auch mit Blick auf die bevorzugt plane Anlage der LED kann sich der Anordnungsbereich in eine für sich plane Grundfläche und eine diese mit dem ihn umgebenden Außenoberflächenbereich („Umgebungsbereich“) verbindende Flanke gliedern. Die Grundfläche kann beispielsweise um in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 1/40, 1/35, 1/30, 1/25, 1/20 bzw. 1/15 des Mittelwerts aus ihrer kleinsten und größten Erstreckung abgesenkt sein, und zwar gegenüber dem Umgebungsbereich bezüglich einer Normalenrichtung (einer Normalen auf die Grundfläche).
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Der Umgebungsbereich hat einen inneren (der LED proximalen) und einen äußeren (der LED distalen) Rand. Den inneren Rand kann beispielsweise eine obere Kante der vorgenannten Flanke markieren, die insbesondere im Rahmen des technisch Üblichen auch gerundet sein kann; die obere Kante markiert einen Übergang zwischen einem Bereich größerer Steigung (der Flanke) und dem Umgebungsbereich mit zumindest kleinerer (oder keiner bzw. negativer) Steigung relativ zur Grundfläche.
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Der Umgebungsbereich soll etwa von seinem inneren Rand bis zum äußeren Rand per definitionem eine Erstreckung haben, die der halben vorstehend genannten mittleren Erstreckung der Grundfläche entspricht.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist in dem Anordnungsbereich mindestens einer der Durchkontakte vorgesehen; vorzugsweise sind mindestens zwei der Durchkontakte in dem Anordnungsbereich vorgesehen, weiter bevorzugt genau zwei Durchkontakte. „In“ dem Anordnungsbereich meint in dem abgesenkten Bereich davon; bei dem eben beschriebenen Aufbau durchsetzt der Durchkontakt also die Grundfläche.
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Die LED kann in dem abgesenkten Anordnungsbereich vorteilhafterweise ein Stück weit geschützt sein, insbesondere ein rückseitiger, der Lichtabstrahlfläche entgegengesetzter Anschlussbereich. Wird nun auch der Durchkontakt im Anordnungsbereich platziert, muss zur elektrischen Verbindung zwischen Durchkontakt und LED dann idealerweise keine Leiterbahn auf der Außenoberfläche außerhalb des Anordnungsbereichs geführt werden, was beispielsweise wiederum einer Beschädigung durch mechanische Einwirkung vorbeugen kann.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist jede der Mehrzahl LEDs in einem Anordnungsbereich angeordnet, vorzugsweise gilt dies für sämtliche LEDs der Beleuchtungseinheit. Dabei ist für jede der LEDs jeweils ein eigener Anordnungsbereich bevorzugt, wobei in jedem Anordnungsbereich jeweils mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei, Durchkontakte vorgesehen sind, etwa jeweils ein Anoden- und ein Kathodenkontakt für die jeweilige LED.
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Die Beleuchtungseinheit kann dann vorteilhafterweise so gestaltet werden, dass die Außenoberfläche von den Anordnungsbereichen abgesehen frei von Leiterbahnen ist, sich also außerhalb der Anordnungsbereiche keine Leiterbahnen auf der Außenoberfläche erstrecken. Wie vorstehend erwähnt, kann dies etwa einer mechanischen Beschädigung vorbeugen helfen bzw. hinsichtlich der Reflexionseigenschaften Vorteile bieten.
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Generell wird eine jeweilige LED nicht notwendigerweise unmittelbar auf den Durchkontakt gesetzt, sondern kann in dem Anordnungsbereich, insbesondere auf einer vorstehend genannten Grundfläche davon, beispielsweise eine Kontaktstelle aufmetallisiert sein. Dies kann etwa in einem nachstehend für die Aufbringung der Leiterbahnstruktur auf die Innenoberfläche beschriebenen Verfahren erfolgen. Bezogen auf die Flächenrichtungen (der Grundfläche) kann die Kontaktstelle beispielsweise eine um mindestens das 5-, 7-, 9- bzw. 10-fache größere Flächenausdehnung als der entsprechende Durchkontakt haben, was das Anordnen und elektrisch Verbinden der LED bei der Montage vereinfachen kann. Vorzugsweise ist die LED großflächig leitfähig mit der Kontaktstelle verbunden, etwa über eine Fügeschicht, insbesondere eine (elektrisch leitfähige) Klebeschicht oder eine Lotschicht.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die LED ein Surface Mounted Device, also ein SMD-Bauteil. Dies kann etwa aufgrund einer dann vergleichsweise geringen Aufbauhöhe Vorteile bieten, sodass die in dem Anordnungsbereich vorgesehene LED auch vollständig gegenüber dem Umgebungsbereich abgesenkt sein kann, also die Flanke nicht überragt.
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Ist der Anordnungsbereich in bevorzugter Ausgestaltung mit einem Verfüllmaterial aufgefüllt, etwa mit Silikon, kann das Verfüllmaterial die LED besonders bevorzugt vollständig bedecken, also gemeinsam mit dem Hohlkörper (und gegebenenfalls Kontaktstellen) vollständig umschließen. So kann beispielsweise auch eine im Gesamten vergleichsweise glatt verlaufende Oberfläche erreicht werden, sodass also die Außenform der Beleuchtungseinheit keine lokalen Erhebungen/Vertiefungen aufweist, weil die Absenkungen im Hohlkörper eben aufgefüllt sind.
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Das Auffüllen des Anordnungsbereichs mit Verfüllmaterial kann aber auch Vorteile bieten, wenn nur ein Seitenwandbereich der LED mit dem Verfüllmaterial bedeckt wird, weil so beispielsweise eine vorstehend genannte elektrisch leitfähige Verbindungsschicht unterseitig der LED gegen Umwelteinflüsse geschützt sein kann.
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In das Kunststoffmaterial des Hohlkörpers können in bevorzugter Ausgestaltung Partikel eingebettet, also darin zufallsverteilt sein. Einerseits kann beispielsweise ein Additiv beigegeben sein, um die optischen Reflexionseigenschaften der Außenoberfläche einzustellen; wenngleich im Allgemeinen insoweit auch gezielt absorbierende oder gerichtet reflektierende Eigenschaften denkbar sind, wird das Additiv bevorzugt so gewählt, dass die Außenoberfläche diffus reflektierend ist. Vorzugsweise ist ein Farbpigment in den Substratkörper eingebettet, etwa Titandioxid-Partikel.
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Eine diffus reflektierende Außenoberfläche, also jedenfalls ein entsprechender Bereich davon (mindestens 50 % bzw. 75 %), kann generell bevorzugt sein, also auch unabhängig von eingebetteten Partikeln, etwa durch eine Beschichtung eingestellt. „Diffus reflektierend“ kann im Allgemeinen auch eine gerichtet diffuse (spekular diffuse) Reflexion meinen, betrifft jedoch vorzugsweise eine gleichmäßig diffuse Reflexion. Im sichtbaren Bereich des Spektrums kann die Reflektivität insoweit beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 % bzw. 90 % liegen (was besonders bevorzugt eine gleichmäßige diffuse Reflexion betrifft); mögliche Obergrenzen können (davon unabhängig) etwa bei 99 %, 97 % bzw. 95 % liegen.
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Im Übrigen kann ein Additiv zusätzlich oder auch unabhängig davon auch eine andere Funktion erfüllen, kann also beispielsweise (auch) ein Additiv zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit des Hohlkörpers vorgesehen sein, etwa Partikel aus einer elektrisch nicht leitenden Keramik. Es können beispielsweise Partikel, die BN, AlN, Al2O3 und/oder SiC aufweisen, bzw. allein daraus bestehende Partikel in den Hohlkörper eingebettet sein. So lässt sich die Wärmeleitfähigkeit des Hohlkörpers gegenüber jener des Kunststoffmaterials erhöhen und kann beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 2 W/(mK), 4 W/(mK), 6 W/(mK), 8 W/(mK) bzw. 10 W/(mK) liegen. Vorteilhafterweise kann dann etwa auf einen gesonderten Kühlkörper verzichtet werden, was Aufbau und Herstellung vereinfachen kann.
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Ferner kann auch ein Additiv zur Erhöhung der Festigkeit des Hohlkörpers vorgesehen sein (zusätzlich zur Erhöhung der Reflektivität und/oder Leitfähigkeit oder auch unabhängig davon), was die Freiheit bei der Formgebung, insbesondere Mindestdicken betreffend, erhöhen kann. Es können also beispielsweise Fasern in den Hohlkörper eingebettet sein, beispielsweise Glasfasern und/oder ein Mineralfüllstoff.
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Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft einen um eine Symmetrieachse rotationssymmetrischen Hohlkörper, also einen Rotationskörper, der durch Drehung um einen beliebigen Winkel (um die Symmetrieachse) in sich selbst übergeführt werden kann. Der Hohlkörper kann beispielsweise röhrenförmig (mit offenen oder geschlossenen Enden) sein, und die Beleuchtungseinheit kann zum Beispiel als Leuchtmittel zum Ersatz einer Leuchtstoffröhre vorgesehen sein (zum Beispiel T4, T5 bzw. T8).
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Vorzugsweise ist der Rotationskörper jedoch so vorgesehen, dass seine Außenoberfläche eine Form hat, die jener eines Hüllkolbens einer Glühlampe nachempfunden ist, beispielsweise einer Glühlampe mit einem E27-Sockel (und etwa einer Leistung von 60 W). In einer die Symmetrieachse beinhaltenden Schnittebene betrachtet soll dieser Hohlkörper also ein verschlossenes, kugelförmiges Ende haben, an welches sich ein gegenüber der Kugel verjüngter Halsabschnitt anschließt. Ein senkrecht von der Symmetrieachse weg bis zur Außenoberfläche genommener Abstand ist in dem Kugelabschnitt maximal, und ein entsprechend genommener Abstand im Halsabschnitt kann beispielsweise höchstens 85 % bzw. 80 % des Maximalabstands und mindestens 40 %, 50 % bzw. 60 % davon betragen. Eine entlang der Symmetrieachse genommene Länge dieses Hohlkörpers kann etwa mindestens dem 2- bzw. 2,5-fachen des besagten Maximalabstands und (davon unabhängig) höchstens dem 5- bzw. 4-fachen davon entsprechen.
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Generell sollen bei der Betrachtung der Rotationssymmetrie die bevorzugt vorgesehenen Anordnungsbereiche außer Betracht bleiben, brechen diese also die Symmetrie nicht. Gleiches soll selbstverständlich für lokale Erhebungen und Vertiefungen gelten, die beispielsweise einer Markierung des Leuchtmittels dienen können. Ferner wird der Hohlkörper, wie nachstehend im Detail erläutert, vorzugsweise aus mehreren für sich monolithischen Teilen zusammengesetzt, und es sollen in diesem Fall auch die Grenzflächen zwischen diesen Teilen (eine Grenzfläche hat üblicherweise eine Erstreckung in Richtung der Rotationsachse und senkrecht dazu) bei den Symmetriebetrachtungen außer Acht bleiben; der Rotationskörper kann also in Segmente unterteilt sein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft die Anordnung der LEDs derart, dass im Betrieb winkelverteilt Licht abgegeben wird. Dabei soll die Beleuchtungseinheit über einen Winkelbereich, und zwar von einer Hauptachse der Beleuchtung als 0°-Achse ausgehend, bis zu Winkeln von mindestens ±120°, vorzugsweise mindestens ±130°, weiter bevorzugt mindestens ±140° abstrahlen, soll also in einem entsprechenden Polardiagramm in diesem Winkelbereich die Lichtstärke von Null verschieden sein. Vorzugsweise gilt dies in beliebigen, die Hauptachse der Beleuchtung beinhaltenden Schnittebenen, also umlaufend. Im Falle der dem Glühlampenkolben nachempfundenen Außenoberfläche fällt die Hauptachse der Beleuchtung mit der Rotationsachse zusammen.
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Der Begriff „Hauptachse“ soll nicht implizieren, dass entlang dieser Achse am meisten Licht abgegeben wird (also die Lichtstärke bei 0° maximal ist); auch je nach Anwendung kann auch ein Leuchtmittel von Interesse sein, das eine Ausleuchtung zur Seite hin (±90°) oder gar in den Rückraum (zu noch größeren/kleineren Winkeln) maximiert, etwa um einen Reflektor gut auszuleuchten. Bevorzugt wird die Lichtstärke gleichwohl bei 0° ihr Maximum haben.
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Hinsichtlich einer Rotation um die Hauptachse wird die Abstrahlcharakteristik üblicherweise nicht symmetrisch sein, weil die LEDs in gewisser Hinsicht ein Stück weit diskret verteilte Lichtpunkte darstellen können. Ferner verlaufen in einem Polardiagramm, also in einer die Hauptachse beinhaltenden Schnittebene betrachtet, die Lichtstärke bei positiven Winkeln und jene bei negativen auch nicht zwingend symmetrisch zueinander (hinsichtlich einer Spiegelung an der Hauptachse), jedoch kann dies bevorzugt sein.
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Wie bereits eingangs erwähnt, kann in dem Hohlkörper-Innenvolumen in bevorzugter Ausgestaltung eine der Versorgung bzw. Ansteuerung der LEDs dienende Treiber- und/oder Steuerelektronik vorgesehen sein. Dies meint nicht, dass notwendigerweise die gesamte Elektronik dort untergebracht sein muss, sondern es kann auch nur ein Teil davon in das Hohlkörper-Innenvolumen hineinragen. Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft ja generell eine mit einem Sockel bestückte, also als Leuchtmittel (zum Einsetzen in eine Leuchte) vorgesehene Beleuchtungseinheit. Dabei kann auch der Sockel, etwa ein Schraubsockel, ein gewisses Innenvolumen haben, kann dann die Elektronik also in sowohl dem Sockel als auch dem Hohlkörper-Innenvolumen angeordnet sein.
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In weiterer Ausgestaltung kann das verbleibende Hohlkörper-Innenvolumen mit einem Verfüllmaterial aufgefüllt sein, was hinsichtlich eines Schutzes von Leiterbahnstruktur und Elektronik sowie auch aus thermischen Gründen Vorteile bieten kann.
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Ein aufgefülltes Hohlkörper-Innenvolumen kann generell bevorzugt sein, also auch unabhängig von einer darin angeordneten Treiber-/Steuerelektronik, etwa zum Schutz der Leiterbahnstruktur bzw. eben auch aus thermischen Gründen. „Aufgefüllt“ meint also zumindest so weit gefüllt, dass die Leiterbahnstruktur mit einem durchgehenden, sich durch das Hohlkörper-Innenvolumen erstreckenden Verfüllmaterial bedeckt ist; besonders bevorzugt ist das Hohlkörper-Innenvolumen vollständig aufgefüllt.
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Bevorzugt ist ein zu einer Seite hin offener Hohlkörper und wird das Verfüllmaterial durch dieses offene Ende eingebracht. Generell kann es sich bei dem Verfüllmaterial beispielsweise um ein Potting-Material handeln, etwa um ein Material auf Polyurethan- oder Silikon-Basis.
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Der Hohlkörper ist in bevorzugter Ausgestaltung ein Urformteil, also ein fester Körper, der aus einem zuvor in der Regel formlosen Stoff hergestellt ist. Im Allgemeinen könnte der Hohlkörper beispielsweise auch ein Extrusionsteil sein, könnte also etwa ein vorstehend beschriebener röhrenförmiger Hohlkörper extrudiert werden.
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Vorzugsweise ist der Hohlkörper jedoch ein Spritzgussteil. Auch vor diesem Hintergrund können im Wesentlichen glatte Oberflächen bevorzugt sein, also von den bevorzugten Anordnungsbereichen abgesehen. „Spritzgussteil“ bezieht sich auf einen Körper, der von einer Kavität freigegeben wird, welcher zuvor zumindest innerhalb gewisser Grenzen fließfähiges Material zugeführt wurde, das in der Kavität zumindest teilweise erhärtet ist. Vorzugsweise wird unter erhöhtem Druck zugeführt, beispielsweise bei mindestens 100 bar, 500 bar, bzw. 1000 bar; mögliche Obergrenzen können etwa bei 3000 bar, 2500 bar oder 2250 bar liegen. Das Härten kann beispielsweise bei einer gegenüber der Zuführtemperatur anderen Härtetemperatur erfolgen, im Falle eines thermoplastischen Materials beispielsweise bei geringerer und im Falle eines duroplastischen Materials etwa bei höherer Temperatur.
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Vorzugsweise werden zunächst eine Mehrzahl Hohlkörperteile hergestellt, und zwar jeweils für sich in einer Form, vorzugsweise jeweils für sich durch Spritzguss, und werden die Hohlkörperteile anschließend zu dem Hohlkörper zusammengesetzt. Besonders bevorzugt ist der Hohlkörper zweiteilig und werden zwei weiter bevorzugt identische Hohlkörperhälften zusammengesetzt; es kann also idealerweise mit einem einzigen Typ Form, welche eine Hohlkörperhälfte freigibt, der gesamte Hohlkörper realisiert werden.
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Generell können die Mehrzahl Hohlkörperteile in Grenzflächen miteinander verbunden werden. Im Falle einer vorstehend genannten Rotationssymmetrie hat eine Grenzfläche eine Erstreckung in Richtung der Rotationsachse und senkrecht dazu; es hat dann also jedes Hohlkörperteil bezogen auf einen Umlauf um die Rotationsachse zwei Grenzflächen und grenzt an mindestens ein weiteres Hohlkörperteil (im Falle eines zweiteiligen Hohlkörpers an genau eines). Die Grenzflächen können den Hohlkörper also in Segmente unterteilen.
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Mit einer jeweiligen Grenzfläche aneinander anliegend können zwei Hohlkörperteile beispielsweise durch eine Fügeverbindung, etwa durch Klebstoff, oder durch Kunststoffschweißen verbunden sein. In bevorzugter Ausgestaltung können an zwei einander zugeordneten Grenzflächen auch eine Erhebung an der einen und eine komplementäre Vertiefung in der anderen vorgesehen sein; es kann also beispielsweise ein Stift an der einen Grenzfläche in ein Loch an der anderen eingesteckt werden bzw. sein. Allgemein ausgedrückt können die Hohlkörperteile also auch durch eine formschlüssige Verbindung aneinander gehalten sein, die über die bloße Anlage der Grenzflächen hinausgeht, also auch eine Relativverschiebung der Hohlkörperteile entlang der Grenzflächen blockiert. Eine Füge- oder Kunststoffschweißverbindung kann zusätzlich vorgesehen sein.
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Bei der bevorzugten Herstellung in einer Form (besonders bevorzugt durch Spritzguss) wird die Form, also das die Kavität begrenzende Formwerkzeug, vorzugsweise so vorgesehen, dass an den Stellen der Durchkontakte Durchgangslöcher in dem Kunststoffmaterial freigehalten werden, also Verbindungslöcher zwischen Innen- und Außenoberfläche. In der weiteren Herstellung werden diese dann mit einem metallisch-leitfähigen Material aufgefüllt, vorzugsweise mit einem Metall.
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Die Leiterbahnstruktur kann prinzipiell beispielsweise im Rahmen eines Mehrkomponentenspritzgusses aufgebracht werden, wobei als eine Komponente der Hohlkörper spritzgegossen wird und als andere Komponente etwa ein metallisierbarer Kunststoff, der anschließend beispielsweise galvanisch beschichtet wird. In ein Spritzgusswerkzeug kann auch ein Träger mit der Leiterbahnstruktur eingelegt und hinterspritzt werden. Ferner kann die Leiterbahnstruktur beispielsweise auch in einem Heißprägeverfahren auf den zuvor spritzgegossenen Hohlkörper aufgeprägt werden, etwa von einer in der Prägepresse zugleich gestanzten Metallfolie ausgehend.
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Im Allgemeinen kann die Leiterbahnstruktur auch mit aus der Halbleiterherstellung bekannten Verfahren aufgebracht werden, also durch entsprechende Maskierung, wobei in freigelegten Bereichen einer großflächig aufgebrachten (Lack)maske beispielsweise die Leiterbahnstruktur aufwachsen kann oder eine zuvor abgeschiedene Metallschicht (unter der (Lack)maske) entfernt werden kann, beispielsweise durch Ätzen.
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Es ist bevorzugt, die Leiterbahnstruktur durch Laser-Direkt-Strukturierung aufzubringen, wobei ein Laserstrahl auf der Oberfläche des (spritzgegossenen oder extrudierten) Hohlkörpers die Leiterbahnstruktur „schreibt“ und dabei in den Hohlkörper eingebettete Keime für die nachfolgende Metallisierung freilegt. Mit der Laser-Direkt-Strukturierung kann beispielsweise auch auf einem gekrümmten Bereich der Innenoberfläche gut eine Leiterbahnstruktur definiert werden.
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Generell kann für die Leiterbahnstruktur etwa ein Kupferoder Silber-Material bevorzugt sein, etwa auch eine jeweilige Legierung, die zum Großteil Kupfer oder Silber enthält. Die Leiterbahnen können von der Innenoberfläche weg nach innen genommen beispielsweise eine Dicke von mindestens 3 µm, 5 µm, 8 µm bzw. 10 µm und (davon unabhängig) von höchstens 50 µm, 40 µm bzw. 35 µm haben
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den verschiedenen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Einzelnen zeigt
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1 eine Ansicht der Innenoberfläche einer Hohlkörperhälfte einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit;
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2 eine Ansicht der der Innenoberfläche entgegengesetzten Außenoberfläche der Hohlkörperhälfte gemäß 1;
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3 einen schematischen Schnitt durch einen Anordnungsbereich der Hohlkörperhälfte gemäß den 1 und 2 mit einer LED darin.
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1 zeigt eine Hälfte eines Hohlkörpers 1 aus einem Kunststoffmaterial, nämlich aus Polyamid. Der Hohlkörper 1 hat eine Innenoberfläche 2 und eine entgegengesetzte Außenoberfläche 3. Auf der Innenoberfläche 2 ist eine Leiterbahnstruktur 4 angeordnet, sind also Leiterbahnen aus Kupfer aufgebracht.
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Die Leiterbahnstruktur 4 dient der elektrischen Kontaktierung der auf der Außenoberfläche 3 angeordneten LEDs 21, die in der Ansicht gemäß 2 zu erkennen sind, also aus einer zur Blickrichtung gemäß 1 entgegengesetzten Richtung auf den Hohlkörper 1 blickend.
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Die LEDs 21 sind als Surface Mounted Devices vorgesehen und haben rückseitig, also dem Hohlkörper 1 zugewandt, jeweils zwei Anschlüsse, an denen sie elektrisch leitend kontaktiert sind. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen Außenoberfläche 3 und Innenoberfläche 2 stellen dabei Durchkontakte 22 her, also mit Kupfer gefüllte Durchgangslöcher in der Hohlkörperwand. Über die Durchkontakte 22 sind die LEDs 21 elektrisch leitend mit der Leiterbahnstruktur 4 verbunden. 3 illustriert den Anschluss einer LED 21 im Detail (siehe unten).
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Der Übersichtlichkeit halber ist vorliegend nur der Hohlkörper 1 mit der Leiterbahnstruktur 4 und den LEDs 21 gezeigt, ist also ein an das offene Ende anschließender Sockel (E27) des Leuchtmittels nicht dargestellt. Über diesen Sockel kann das Leuchtmittel als Ersatz für eine konventionelle Glühlampe in eine Leuchte gesetzt, also eingedreht werden.
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Zum Betrieb der LEDs 21 ist dabei auch eine Treiberelektronik notwendig, nämlich zur Anpassung der Netzspannung an die Eingangsspannung der LEDs 21. Diese Treiberelektronik ist im Sockel untergebracht, erstreckt sich jedoch in den Hohlkörper 1 hinein. Zum Schutz von Leiterbahnstruktur 4 und Treiberelektronik, sowie zur besseren thermischen Anbindung ist das verbleibende Hohlkörper-Innenvolumen mit einer Verfüllmasse aufgefüllt, nämlich mit Silikon. All dies ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Die Form des Hohlkörpers 1 ist jener einer konventionellen Glühlampe nachempfunden. Die Außenoberfläche 3 ist von den Anordnungsbereichen 23, also den Vertiefungen, in welchen die LEDs 21 angeordnet sind, abgesehen rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse 5.
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Die bei der Symmetriebetrachtung unberücksichtigten Anordnungsbereiche 23 stellen Bereiche dar, in denen die Außenoberfläche 3 des Hohlkörpers 1 abgesenkt ist, sodass also auch die LEDs 21 entsprechend abgesenkt montiert sind.
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3 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine in dem Anordnungsbereich 23 angeordnete LED 21. Die Außenoberfläche 3 fällt in dem Anordnungsbereich von einer oberen Kante 31 an einer Flanke 32 bis zu deren unterer Kante 33 ab und geht bei letzterer in eine für sich plane Grundfläche 34 über.
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Auf der Grundfläche 34 sind zwei Kontaktstellen 35 aufmetallisiert, und zwar jeweils auf einen der Durchkontakte 22.
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Die LED 21 ist über ihre rückseitigen Anschlussstellen 36 mit den Kontaktstellen 35 elektrisch leitend verbunden, nämlich über eine jeweilige Lotschicht 37. Jede der Anschlussstellen 36 ist also über jeweils eine Lotschicht 37 mit jeweils einer Kontaktstelle 35 verbunden, wobei jede der Kontaktstellen 35 über jeweils einen Durchkontakt 22 mit der auf der Innenoberfläche 2 angeordneten Leiterbahnstruktur verbunden ist.
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Der Anordnungsbereich 23 ist zum Schutz der Anschlussstellen und der LED 21 generell mit einem Verfüllmaterial 38 aufgefüllt, nämlich einem Silikon-Verguss. Trotz der lokalen Absenkung der Außenoberfläche 3 des Hohlkörpers 1 resultiert so auch eine gleichwohl glatte Oberfläche.
