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Die Erfindung geht aus von einem Reflektor für eine Beleuchtungseinrichtung, wobei der Reflektor eine Reflexionsfläche zum Reflektieren von Laserlicht aufweist.
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Auf die Reflexionsfläche auftreffendes Laserlicht verursacht eine starke Erwärmung des Reflektors, insbesondere wenn Laserlicht von mehreren Laserlichtquellen auf die Reflexionsfläche gerichtet ist. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reflektor für eine Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, dessen Reflexionsfläche geeignet ist, Laserlicht zu reflektieren, ohne dass eine durch das Laserlicht bedingte Erwärmung des Reflektors zu einer Beeinträchtigung seiner Funktion führt. Außerdem soll der Reflektor geeignet sein, Laserlicht von mehreren Laserlichtquellen zu bündeln und auf ein dem Reflektor optisch nachgeordnetes Element einer Beleuchtungseinrichtung zu lenken.
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Diese Aufgabe wird durch einen Reflektor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Reflektors zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Reflektors gemäß den Merkmalen des Verfahrensanspruchs 8.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäße Reflektor für eine Beleuchtungseinrichtung besteht aus Metall und besitzt eine konkav ausgebildete Reflexionsfläche zum Reflektieren von Laserlicht.
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Da der erfindungsgemäße Reflektor aus Metall besteht, bildet er eine effiziente Wärmesenke für die von dem Laserlicht erzeugte Wärme, so dass eine Beeinflussung seiner optischen Eigenschaften durch eine thermisch bedingte Ausdehnung des Reflektors gering ist. Beispielsweise kann die Temperatur des erfindungsgemäßen Reflektors bei einer Beleuchtung seiner Reflexionsfläche mit drei Laserdioden mit einer Leistung von jeweils 1,5 Watt bis 2 Watt unterhalb von 100°C gehalten werden. Die konkave Reflexionsfläche des erfindungsgemäßen Reflektors ermöglicht die Bündelung von Laserlicht. Insbesondere kann mittels der konkaven Reflexionsfläche das von mehreren Laserlichtquellen erzeugte Laserlicht gebündelt und beispielsweise auf die Oberfläche eines Leuchtstoffelements einer Beleuchtungseinrichtung gelenkt werden.
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Vorzugsweise ist die konkave Reflexionsfläche derart ausgebildet, dass sie einen Fokus definiert. Beispielsweise besitzt die konkave Reflexionsfläche zu diesem Zweck eine parabolische oder ellipsoidförmige Wölbung.
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Als Fokus im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Bereich zu verstehen, in dem das von dem erfindungsgemäßen Reflektor reflektierte Laserlicht gebündelt ist, ähnlich wie in einem Brennpunkt bei einer Sammellinse. Der Fokus ist dabei im allgemeinen nicht punktförmig, sondern hat eine räumliche Ausdehnung.
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Der erfindungsgemäße Reflektor ist vorteilhafterweise als Spritzgussteil, insbesondere als Metallpulverspritzgussteil, ausgebildet. Dadurch handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Reflektor um ein massives Metallteil, das im Gegensatz zu einer metallischen Beschichtung eine gute Wärmesenke bildet. Außerdem ermöglicht ein als Spritzgussteil bzw. Metallpulverspritzgussteil ausgebildeter Reflektor eine bessere Maßhaltigkeit als beispielsweise ein mittels eines spanabhebenden Verfahrens hergestellter Reflektor.
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Vorzugsweise besteht der erfindungsgemäße Reflektor aus einem oder mehreren Metallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Besonders geeignet sind Metalle, die nicht zu den Edelmetallen gehören, wie beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung oder Titan oder eine Titanlegierung.
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Die Reflexionsfläche des Reflektors weist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Reflektors eine Oberflächenstruktur zum Aufweiten eines daran reflektierten Laserstrahls auf. Dadurch wird die thermische Belastung eines dem Reflektor optisch nachgeordneten Elements einer Beleuchtungseinrichtung, beispielsweise eines Leuchtstoffelements, auf das der Laserstrahl gelenkt wird, reduziert.
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Die Oberflächenstruktur weist vorzugsweise Vertiefungen oder Erhebungen oder eine Kombination von Vertiefungen und Erhebungen in der Reflexionsfläche des Reflektors auf. Die Abmessungen der Vertiefungen bzw. Erhebungen sind auf eine Wellenlänge des Laserlichts im Wellenlängenbereich von 405 Nanometer bis 460 Nanometer abgestimmt, welcher dem Wellenlängenbereich von blauem Licht entspricht. Die Abmessungen der Vertiefungen bzw. Erhebungen senkrecht zur Reflexionsfläche liegen beispielsweise im Bereich von 0,2 Mikrometer bis 50 Mikrometer und der mittlere Abstand zwischen den Vertiefungen bzw. Erhebungen liegt beispielweise im Bereich von 1 Mikrometer bis 100 Mikrometer. Das auftreffende Laserlichtbündel wird an der Oberflächenstruktur der Reflexionsfläche gestreut und dadurch erfolgt eine Aufweitung des Laserlichtbündels bei seiner Reflexion an der Reflexionsfläche.
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Ein weiterer Vorteil der Oberflächenstruktur besteht darin, dass ein Reflexionsgrad der Reflexionsfläche beeinflussbar, insbesondere herabsetzbar, ist. Somit wird die thermische Belastung nachgeschalteter optischer Elemente reduziert.
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Die Erhebungen bzw. Vertiefungen sind beispielsweise sphärisch oder ellipsoidförmig ausgebildet.
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Alternativ oder zusätzlich zur oben beschriebenen Oberflächenstruktur kann der erfindungsgemäße Reflektor relativ zur Laserlichtquelle oder zu den Laserlichtquellen, beispielsweise mittels eines oder mehrerer Piezo-Elemente um eine Ruhelage in Schwingung versetzt werden, um eine Aufweitung eines an seiner Reflexionsfläche reflektierten Laserlichtbündels zu erreichen.
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Vorteilhafterweise ist der erfindungsgemäße Reflektor mittels eines Spritzgussverfahrens, vorzugsweise Metallpulverspritzgussverfahrens, hergestellt. Somit ist der erfindungsgemäße Reflektor mit einem im Vergleich zu einem spanabhebenden Verfahren einfachen Fertigungsverfahren herstellbar, von dem darüber hinaus eine hohe Maßhaltigkeit gewährleistet ist, da eine Geometrie des Reflektors von einem Gusswerkzeug bestimmt ist, mittels dem hohe Stückzahlen nahezu verschleißfrei herstellbar sind.
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Metallpulverspritzgießen, auch MIM-Verfahren (englisch für Metal Injection Moulding) ist ein Urformverfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen insbesondere komplexer Geometrie und hat seinen Ursprung in der Spritzgusstechnologie für Kunststoffe. Beim Metallpulverspritzgießen kann feines Metall- oder Keramikpulver mit einem insbesondere organischen Binder vermischt und mittels einer Spritzgussmaschine und/oder in einem Spritzgusswerkzeug in Form gebracht werden; das so entstandene Zwischenprodukt wird "Grünteil" genannt. Anschließend kann der Binder thermisch oder mittels eines Lösungsmittels entfernt werden; das so entstandene Zwischenprodukt wird "Braunteil" genannt. Danach kann das Bauteil bei hoher Temperatur in einem Ofen gesintert werden. Als Ergebnis erhält man ein rein metallisches Endprodukt, das die mechanischen Vorteile gesinterter Bauteile mit der großen Formgebungsvielfalt des Spritzgießens verbindet. Das Metallpulverspritzgießen ist besonders vorteilhaft zur Fertigung kleiner hochpräziser metallischer Bauteile.
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Vorteilhafterweise ist die Oberflächenstruktur, insbesondere die Erhebungen oder Vertiefungen, im Gusswerkzeug einbringbar. Somit ist das Einbringen erleichtert, da die Struktur um ein Schrumpfmaß des Grünteils nach dem Entbindern und/oder des Braunteils nach dem Sintern größer in die Reflexionsfläche einbringbar ist. Beispielsweise beträgt das Schrumpfmaß nach dem Sintern etwa 10 bis 25%.
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Alternativ dazu ist die Oberflächenstruktur am Grünteil oder am Braunteil in die Reflexionsfläche einbringbar, das heißt vorzugsweise nach dem Spritzguss und vor dem Sintern. Somit ist eine Struktur, die aus unterschiedlichen Gründen nicht in das Gusswerkzeug einbringbar ist, dennoch am fertigen Sinterteil realisierbar. Zudem ist somit ein Verschleiß bei den dazu verwendeten Bearbeitungswerkzeugen minimiert, da das Grünteil und/oder das Braunteil erheblich einfacher und leichter bearbeitbar ist als das fertige Sinterteil.
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Vorzugsweise ist der Reflektor aus Kupfer hergestellt. Als Binder eines dabei verwendeten Kunststoff-/Kupfer-Granulats dient beispielsweise Polyoxymethylen (POM). Somit ist der erfindungsgemäße Reflektor in der Lage, einer hohen thermischen Belastung bedingt durch eine hohe Lichtleistung, die auf den Reflektor trifft, auf Dauer standzuhalten. Darüber hinaus ist somit eine zu große thermische Ausdehnung des Reflektors vermeidbar, insbesondere im Vergleich zu anderen üblicherweise verwendeten Werkstoffen.
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Insbesondere ist eine Sintertemperatur auf etwa 80% eines Schmelzpunkts des zur Herstellung des Reflektors verwendeten Metallpulvers eingestellt. Beispielsweise ist für Kupfer enthaltendes Metallpulver die Sintertemperatur auf etwa 0,8 × 1.084°C eingestellt. Somit ist eine hohe Maßhaltigkeit des Reflektors bei einer hohen Genauigkeit der eingebrachten Struktur erzielbar.
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Eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung, insbesondere ein Fahrzeugscheinwerfer, weist einen Reflektor nach einem der vorhergehenden Aspekte der vorliegenden Erfindung auf. Somit sind die dazu beschriebenen Vorteile und Eigenschaften ebenso für die Beleuchtungseinrichtung zutreffend.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung weist vorzugsweise eine oder mehrere Laserdioden auf, die jeweils blaues Laserlicht erzeugen, das mittels des Reflektors auf ein Leuchtstoffelement reflektiert wird, wobei das Leuchtstoffelement einen Anteil des blauen Laserlichts in Licht anderer Wellenlänge, insbesondere in gelbes Licht, konvertiert, so dass die Beleuchtungseinrichtung weißes Licht emittiert, das eine Mischung aus nicht-konvertiertem blauem Licht und konvertiertem Licht ist.
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Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung eine Vorrichtung zum Erwärmen oder Kühlen oder zur Regelung der Temperatur des Reflektors auf. Dadurch kann der Reflektor und insbesondere seine Reflexionsfläche während des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung auf kontanter Temperatur gehalten werden, um eine Beeinflussung seiner optischen Eigenschaften durch eine Erwärmung während der Bestrahlung mit Laserlicht möglichst zu vermeiden.
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Beispielsweise kann der Reflektor derart ausgebildet sein, dass er induktiv erwärmbar ist.
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Alternativ oder ergänzend dazu kann der Reflektor derart ausgebildet sein, dass er luft- oder flüssigkeitskühlbar ist.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Reflektors für eine Beleuchtungseinrichtung, wobei der Reflektor eine konkav ausgebildete Reflexionsfläche zum Reflektieren von Laserlicht aufweist, ist ein Spritzgussverfahren, insbesondere ein Metallpulverspritzgussverfahren.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass der erfindungsgemäße Reflektor mit einem im Vergleich zu einem spanabhebenden Verfahren einfacheren Fertigungsverfahren hergestellt werden kann, von dem darüber hinaus eine hohe Maßhaltigkeit gewährleistet ist, da eine Geometrie des Reflektors von einem Gusswerkzeug bestimmt ist, mittels dem hohe Stückzahlen nahezu verschleißfrei herstellbar sind.
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Insbesondere weist das Spritzgussverfahren bzw. Metallpulverspritzgussverfahren einen Spritzgussschritt auf, bei dem der Reflektor mittels einer Spritzgussmaschine und einem Gusswerkzeug aus einem mit einem, insbesondere organischen, Binder vermischten Metallpulver oder Keramikpulver als ein Grünteil ausgebildet wird. Weiter wird ein Entbinderungsschritt ausgeführt, bei dem der Binder aus dem Grünteil entfernt und somit ein Braunteil ausgebildet wird. Weiter wird ein Sinterschritt ausgeführt, bei dem das Braunteil gesintert wird. Somit kann mittels eines einfachen spanlosen Herstellverfahrens ein qualitativ hochwertiges weil maßgenaues und widerstandsfähiges Endprodukt erzielt werden.
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Vorteilhafterweise wird ein Strukturausbildungsschritt vor dem Spritzgussschritt ausgeführt und ist die Struktur in dem Gusswerkzeug eingebracht. Insbesondere ist dasselbe Gusswerkzeug mit der einmalig eingebrachten Struktur viele Male wiederverwendbar; alternativ dazu kann je nach Geometrie des Endprodukts eine sogenannte verlorene Gussform verwendet werden, in die vor jedem Spritzgussschritt die Struktur eingebracht wird. Somit ist das Einbringen der Struktur erleichtert, da die Struktur um ein Schrumpfmaß des Grünteils nach dem Entbindern und/oder des Braunteils nach dem Sintern größer in die Reflexionsfläche eingebracht werden kann. Beispielsweise beträgt das Schrumpfmaß nach dem Sintern etwa 10 bis 25%.
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Insbesondere kann der Strukturausbildungsschritt nach dem Spritzgussschritt ausgeführt werden und die Struktur in das Grünteil eingebracht werden.
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Vorteilhafterweise kann der Strukturausbildungsschritt nach dem Entbinderungsschritt ausgeführt werden und die Struktur in das Braunteil eingebracht werden.
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Somit ist eine Struktur, die aus unterschiedlichen Gründen nicht in das Gusswerkzeug eingebracht werden kann, dennoch am fertigen Sinterteil zu realisieren. Zudem ist, wenn die Struktur vor dem Sinterschritt in die Reflexionsfläche des Reflektors eingebracht wird, ein Verschleiß bei den dazu verwendeten Bearbeitungswerkzeugen minimiert, da das Grünteil und/oder das Braunteil erheblich einfacher und leichter zu bearbeiten sind als das fertige Sinterteil.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass eine Festlegung, nach oder vor welchem Verfahrensschritt der Strukturausbildungsschritt ausgeführt wird, je nach Ausbildung der Struktur, des Werkstoffs des Reflektors und/oder weiteren Anforderungen, erfolgen kann.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1 eine perspektivische dreidimensionale Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Reflektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit Erhebungen in der Reflexionsfläche,
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2 einen Querschnitt des in 1 dargestellten Reflektors durch mehrere der Erhebungen,
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3 eine perspektivische dreidimensionale Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Reflektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit Vertiefungen in der Reflexionsfläche,
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4 einen Querschnitt des in 3 dargestellten Reflektors durch eine der Vertiefungen, und
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5 einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Reflektors gemäß der vorliegenden Erfindung.
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6 eine perspektivische dreidimensionale Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Reflektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
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Bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reflektors 1 ist auf einer konkav ausgebildeten Reflexionsfläche 2 eine Oberflächenstruktur 4 ausgebildet, die mehrere Erhebungen 6 enthält, die unregelmäßig angeordnet sind.
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Parallel einfallendes Laserlicht von mehreren Laserdioden, die vorzugsweise blaues Laserlicht erzeugen, wird von der Reflexionsfläche 2 in einem Fokus gebündelt. In dem Fokus ist vorzugsweise ein Leuchtstoffelement einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung angeordnet, das einen Anteil des blauen Laserlichts in Licht anderer Wellenlänge konvertiert, so dass vom Leuchtstoffelement weißes Licht emittiert wird, das eine Mischung aus nicht konvertiertem blauem Licht und konvertiertem Licht ist. Die Erhebungen 6 bewirken eine Verbeiterung des Laserlichtbündels im Fokus und reduzieren dadurch die thermische Belastung des im Fokus angeordneten Leuchtstoffelements.
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Bei dem in 2 dargestellten Querschnitt des Reflektors gemäß 1 ist eine sphärische Ausbildung der Erhebungen 6 erkennbar.
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Das in 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Reflektors 1 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Oberflächenstruktur 4 auf der konkav ausgebildeten Reflexionsfläche 2 mehrere Vertiefungen 8 enthält, die unregelmäßig angeordnet sind.
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Die Vertiefungen 8 bewirken eine Verbeiterung des Laserlichtbündels im Fokus und reduzieren dadurch die thermische Belastung des im Fokus angeordneten Leuchtstoffelements.
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Bei dem in 4 dargestellten Querschnitt des Reflektors gemäß 3 ist eine sphärische Ausbildung der Vertiefungen 8 erkennbar. Die Reflexionsfläche 2 ist beim Reflektor gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, abgesehen von der Oberflächenstruktur 4, parabolisch gewölbt.
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Der in 5 dargestellte Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu Herstellung des Reflektors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen Spritzgussschritt 10, bei dem der Reflektor 1 mittels einer Spritzgussmaschine aus einem mit einem organischen Binder vermischten Metall- oder Keramikpulver als ein Grünteil ausgebildet wird.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Strukturausbildungsschritt 12 nach dem Spritzgussschritt 10 ausgeführt und in das Grünteil eingebracht, um einen Verschleiß eines Bearbeitungswerkzeugs, mit dem die Struktur 4 ausgebildet wird, gering zu halten.
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Danach wird ein Entbinderungsschritt 14 ausgeführt, bei dem der Binder aus dem Grünteil entfernt und somit ein Braunteil ausgebildet wird. Anschließend daran wird ein Sinterschritt 16 ausgeführt, bei dem das Braunteil, beispielsweise in einem Ofen, gesintert wird.
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Das in 6 abgebildete dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Reflektors 1 unterscheidet sich von den anderen beiden Ausführungsbeispielen dadurch, dass die Reflexionsfläche 2 keine Oberflächenstruktur 4 in Form von Erhebungen 6 oder Vertiefungen 8 aufweist. Stattdessen ist die Reflexionsfläche 2 des Reflektors 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung glatt und poliert ausgebildet. Die Reflexionsfläche 2 besitzt eine konkave, parabolische Wölbung. Parallel auf die Reflexionsfläche 2 auftreffende Laserlichtstrahlen von mehreren Laserdioden werden an der Reflexionsfläche reflektiert und in einem Fokus des Reflektors zu einem Laserlichtbündel gebündelt. Der Reflektor kann, beispielsweise mittels eines oder mehrerer Piezo-Elemente, relativ zu den Laserdioden um eine Ruhelage in Schwingung versetzt werden, um das Laserlichtbündel im Fokus des Reflektors zu verbreitern, so dass die durch das Laserlichtbündel verursachte thermische Belastung eines im Fokus angeordneten Leuchtstoffelements einer Beleuchtungseinrichtung reduziert wird. Alternativ können aber auch die Laserdioden relativ zum Reflektor um eine Ruhelage schwingen, um den vorgenannten Effekt zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reflektor
- 2
- Reflexionsfläche
- 4
- Oberflächenstruktur
- 6
- Erhebung
- 8
- Vertiefung
- 10
- Spritzgussschritt
- 12
- Strukturausbildungsschritt
- 14
- Entbinderungsschritt
- 16
- Sinterschritt
