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Die
Anmeldung betrifft ein Leuchtdioden(LED)-Modul, insbesondere ein
LED-Modul für ein
Drehwarnlicht, bei dem die Abstrahlrichtungen unterschiedlicher
fest zueinander angeordneter Leuchtdioden oder Leuchtdiodengruppen
voneinander verschieden sind, und insbesondere eine 360°-Abstrahlung
ermöglichen.
Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen
Leuchtdiodenmoduls.
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Bislang
werden Drehwarnlichter oder Blinklichter in den meisten Fällen mit
Glühlampen
realisiert. Der „Blinkeffekt" wurde erzielt, indem
ein Reflektor mittels eines Motors in eine Rotation versetzt wird
und dabei das von der Glühlampe
emittierte Licht in unterschiedliche Richtungen reflektiert. Die Konstruktion
der Beleuchtungseinheit ist aufgrund der vielfältigen, insbesondere notwendigen
mechanischen Komponenten aufwendig.
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Aufgrund
dieser Nachteile und der höheren Lebensdauer
von Leuchtdioden (LEDs) gegenüber Glühlampen
sind verschiedene Vorschläge
unterbreitet worden, solche Lichter mit LEDs zu realisieren. Bei
einem LED-Modul mit einer 360°-Abstrahlung sind
die LEDs kreisförmig
auf einem Träger
angeordnet und werden nacheinander elektronisch angesteuert. Auf
diese Weise lässt
sich der von den bekannten Drehwarnlichtern erzeugte Blinkeffekt
auf einfache Weise erzielen.
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So
ist beispielsweise aus der
US
5,806,965 ein Drehwarnlicht bekannt, das drei, jeweils
mit einer Mehrzahl an Leuchtdioden versehene, Leiterplatten aufweist,
die miteinander verbunden sind. Eine dieser Leiterplatten ist rohrförmig gebogen.
Die beiden anderen Leiterplatten sind kreisförmig ausgebildet und werden
mit den Enden der rohrförmig
gebogenen Leiterplatte verbunden. Der elektrische Anschluss der
Leuchtdioden erfolgt über
Drahtverbindungen eines Steckkontaktteils, das mit einer der beiden
kreisförmigen
Leiterplatten mechanisch verbunden wird. Auf den Leiterplatten selbst
befinden sich Leiterzüge
zum elektrischen Verbinden der darauf aufgebrachten LEDs. Die Fertigung
des beschriebenen Drehwarnlichts gestaltet sich aufgrund der vielen unterschiedlichen
zusammenzufügenden
Bauteile schwierig und lässt
insbesondere eine weitgehende Automatisierung nicht zu.
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Eine
andere Möglichkeit,
eine Vielzahl von LEDs in der gewünschten kreisförmigen Form
anzuordnen, ist in der WO 00/69000 beschrieben. In dieser Druckschrift
wird vorgeschlagen, einen Kühlkörper mit
einer dreidimensionalen, z.B. zylindrischen, Form zu verwenden und
eine flexible Leiterplatte, die auf einer Hauptfläche mit
einer Mehrzahl von LEDs versehen ist, auf die derart verformte oder
gekrümmte
Oberfläche
des Kühlkörpers aufzulaminieren.
Damit sollen aufgrund bestimmter Vorgaben räumlich geformte LED-Module
hergestellt werden, die als Blinker oder dergleichen verwendet werden
können. Die
flexible Leiterplatte, die in der Regel aus einem flexiblen Kunststoff
hergestellt wird, erlaubt die Anpassung an komplexe dreidimensionale
Formen. Die flexible Leiterplatte kann aus einer Polyester- oder Polyimid-Folie
bestehen. Vorgeschlagen wird die Verwendung sogenannter Flexboards,
die im Allgemeinen mehrlagige Leiterplatten sind, die homogen aus
einer Mehrzahl von Polyimid-Trägerfolien
aufgebaut sind.
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Aus
der
DE 199 09 399
C1 ist schließlich
ein flexibles LED-Modul
mit einer Mehrzahl starrer Leiterplatten bekannt, die jeweils an
einer ihrer Hauptoberflächen
mit einer flexiblen Leiterplatte, wie dem oben beschriebenen Flexboard,
mit einem Abstand voneinander verbunden sind. Die LEDs sind in einen Schaltkreis
integriert, der auf der flexiblen Leiterplatte aufgebracht ist.
Die LEDs werden in der Oberflächenmontagetechnik
SMT (Surface Mount Technology) hergestellt und direkt auf der flexiblen
Leiterplatte in dem Bereich montiert, in dem die flexible Leiterplatte auf
den starren Leiterplatten aufgeklebt ist. Das in dieser Druckschrift
beschriebene LED-Mehrfachmodul
ist insbesondere für
den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich als Blinker, Rücklicht
oder Bremslicht mit einer Abstrahlung von maximal 90° vorgesehen. Für den jeweiligen
Einsatz muss das beschriebene flexible LED-Mehrfachmodul auf einen
weiteren Träger
aufgebracht werden, der ihm die notwendige mechanische Stabilität verleiht.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein LED-Modul der eingangs
genannten Art insbesondere mit einer 360°-Abstrahlung anzugeben, welches einerseits
möglichst
einfach hergestellt werden kann und andererseits eine hohe Eigenfestigkeit und
damit mechanische Stabilität
aufweist. Weiterhin soll ein Verfahren zum Herstellen eines solchen LED-Moduls
angegeben werden.
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Diese
Aufgaben werden mit einem LED-Modul mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 und mit einem Verfahren zum Herstellen des LED-Moduls mit den
Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Ein
bevorzugtes LED-Modul gemäß der Erfindung
weist folgende Merkmale auf:
- – einen
Träger
aus einem festen aber biegsamen Material, der N (mit bevorzugt N > = 3) Montagebereiche
und N-1 jeweils zwischen zwei Montagebereichen angeordnete Verbindungsbereiche
aufweist, wobei der Träger
an den Verbindungsbereichen jeweils gebogen oder geknickt ist, so
dass die Montagebereich derart zueinander stehen, dass sie eine
rohrartige Raumform mit polygonalem Querschnitt bilden, bei der
die Verbindungsbereiche die „Kanten" darstellen;
- – eine
flexible Leiterplatte mit einer Mehrzahl von LED-Bereichen, die mit den N Montagebereichen des
Trägers
jeweils an einer ihrer Hauptflächen miteinander
verbunden ist und die die Montagebereiche überspannt; und
- – eine
Mehrzahl an LEDs, die in den LED-Bereichen auf die flexiblen Leiterplatte
montiert und dort elektrisch verschaltet sind.
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Das
Vorsehen eines Trägers,
dessen Biegung oder bei dem ein Abknicken in vorbestimmten Verbindungsbereichen
möglich
ist, in Kombination mit einer flexiblen Leiterplatte, die die den
Träger
zumindest teilweise überspannt
und die die Mehrzahl der LEDs trägt,
ermöglicht
eine einfach aufgebaute, einfach herzustellende und dennoch stabile
Anordnung. Die Leiterplatte kann auf einfache Weise vor dem Biegen
oder Knicken mittels herkömmlicher zweidimensionaler
Pick-and-Place-Verfahren mit den LEDs bestückt werden. Vorzugsweise erfolgt
die Bestückung
der flexiblen Leiterplatte mit LEDs und ggf. anderen elektronischen
Bauteilen nach deren Aufbringen auf den Träger.
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Bevorzugter
Weise ist in den Verbindungsbereichen jeweils zumindest eine Materialschwächung vorgesehen,
wodurch das verbleibende Trägermaterial
in den Verbindungsbereichen bei einer Biegebelastung nachgibt. Durch
selektives Vorsehen von Materialschwächungen an den gewünschten
Verbindungsbereichen kann festgelegt werden, an welchen Stellen
eine Biegung oder ein Abknicken erfolgen soll und mit welchem Winkel
eine Biegung zwischen zwei Montagebereichen möglich sein soll.
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Die
Materialschwächung
kann durch partielles Reduzieren der Materialstärke des Trägers oder durch in Teilbereichen
der Verbindungsbereiche vollständiges
Entfernen von Trägermaterials
realisiert sein. Das Einbringen von Materialschwächungen in den Träger umfasst
vorzugsweise ein Einbringen von Aussparungen, z.B. durch Stanzen
oder Fräsen.
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Bevorzugt
ist die Größe der zumindest
einen Aussparung derart bemessen, dass der jeweilige Verbindungsbereich
zwei stegförmige
Bereiche bzw. Stege aufweist, die zwei eineinander benachbarte Montagebereiche
miteinander mechanisch verbinden.
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Der
Träger
umfasst dann eine Mehrzahl von im Vergleich zu den Verbindungsbereichen
starren bzw. steifen Träger-
oder Versteifungsplatten für
die LED-Bereiche der flexiblen Leiterplatte, die jeweils an einer
ihrer Hauptoberflächen
mit der flexiblen Leiterplatte in einem Abstand voneinander, der
durch die Stege definiert ist, verbunden sind. Die Träger- oder Versteifungsplatten
sind an ihren Rändern über die Stege
oder andere geeignete Verbindungselemente verbunden.
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Vorzugsweise
sind die zwei Stege in Randbereichen des Trägers angeordnet. Dies ermöglicht es,
dass die flexible Leiterplatte in einer bevorzugten Ausgestaltung
in den Verbindungsbereichen des starren Trägers zwischen den zwei Stegen
eines Verbindungsbereiches verläuft.
Damit wird vermieden, dass die flexible Leiterplatte beim Biegevorgang
starken Spannungen, aufgrund von noch vorhandenem Trägermaterial
in den Verbindungsbereichen, ausgeübt wird.
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Die
Stege geben der Anordnung den notwendigen Halt und ermöglichen
den einfachen Aufbau von dreidimensionalen Strukturen, welche eine Abstrahlung
der LEDs in verschiedene Richtungen ermöglichen. Es kann ein LED-Modul
bereitgestellt werden, das in alle Raumrichtungen abstrahlt. Besonders
bevorzugt wird das LED-Modul für
Drehwarnlichter oder Blinklichter verwendet.
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Bevorzugt
sind die LEDs in einen elektronischen Schaltkreis zur Ansteuerung
der LED-Anordnung integriert, der auf der flexiblen Leiterplatte
aufgebracht ist.
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Die
LEDs werden bevorzugterweise in der Oberflächenmontage-Technik SMT (Surface Mount Technology)
hergestellt und direkt auf der flexiblen Leiterplatte in dem Bereich
montiert, in dem die flexible Leiterplatte mit der Leiterplatte
verbunden, insbesondere geklebt oder anderweitig laminiert, ist. Dies
hat den Vorteil, dass für
eine optimale Wärmeableitung
von den LEDs gesorgt ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung stellt der Träger eine starre Leiterplatte
aus Aluminium dar. Die flexible Leiterplatte besteht in einer bevorzugten Form
aus einem Kunststoff, insbesondere Polyester oder Polyimid, und
insbesondere ist sie aus mehreren Lagen aus Polyimid aufgebaut.
Diese als Flexboards bekannten Anordnungen sind aus dem Stand der
Technik bekannt und beispielsweise in dem Artikel „Flexibel
verdrahten auf kleinstem Raum" von
H. Kober in der Zeitschrift F&M,
Heft 5/96, Seiten 355f. beschrieben. Diese Flexboards werden dort
als mehrlagige Leiterplatten beschrieben, die homogen aus einer
Mehrzahl von Polyimid-Trägerfolien
aufgebaut sind.
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Das
erfindungsgemäße LED-Modul
eignet sich, wie weiter oben bereits erwähnt, insbesondere für die Verwendung
bei Drehwarnlichtern, die herkömmliche
Blinklichter mit Glühlampen
ersetzen.
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Ein
Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen LED-Moduls umfasst die
folgenden Schritte: Einbringen von Materialschwächungen in einen festen, biegsamen
Träger,
so dass N-1 Verbindungsbereiche und N durch die Verbindungsbereiche getrennte
Montagebereiche entstehen; Aufbringen einer flexiblen Leiterplatte
auf den Träger,
so dass dieser mit den N Montagebereichen des Trägers jeweils an einer seiner
Hauptflächen
miteinander verbunden ist; Aufbringen einer Mehrzahl an LEDs, die im
Bereich des Trägers
auf der flexiblen Leiterplatte montiert sind; und Biegung des Trägers in
den Verbindungsbereichen, um eine rohrartige Form des starren Trägers mit
in etwa polygonalem Querschnitt zu erhalten. Das Verbinden der flexiblen
Leiterplatte und des Trägers
erfolgt vorzugsweise durch eine Klebung oder eine anderweitige Laminierung.
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Zur
Erhöhung
der Festigkeit des LED-Moduls ist es vorteilhaft, die Enden des
starren Trägers nach
dem Schritt des Biegens miteinander zu verbinden. Dies kann ebenfalls
durch eine Klebung oder durch eine Einrasverbindung der Enden ineinander geschehen.
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Vor
dem Aufbringen der flexiblen Leiterplatte auf den Träger kann
ggf. der integrierte Schaltkreis auf der flexiblen Leiterplatte
hergestellt werden.
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Die
Fertigung des erfindungsgemäßen LED-Moduls
kann damit in allen Verfahrensschritten voll automatisiert erfolgen.
Insbesondere ist für
das elektrische Anschließen
der LEDs kein manueller Arbeitsgang notwendig.
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Weiter
Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden
in Verbindung mit den 1 bis 5 erläuterten
Ausführungsbeispiel.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Grundform eines
Trägers,
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2 eine
schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Grundform einer
flexiblen Leiterplatte,
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3 eine
schematische Darstellung einer Draufsicht auf die miteinander verbundene
flexible Leiterplatte und den Träger,
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4 eine
schematische Darstellung einer perspektivische Ansicht eines in
seine endgültige Form
gebrachten Trägers,
und
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5 eine
schematische Darstellung einer perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen LED-Moduls
in schematischer Form.
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Die
in 1 dargestellte schematische Grundform eines Trägers 1 ist
ein Rechteck der Breite bT und der Höhe hT. Der Träger 1 ist
vorzugsweise durch ein Aluminiumblech gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
weist der Träger 1 sechs
Montagebereiche 2a ... 2f auf. Zwischen jeweils
zwei Montagebereichen 2a und 2b, 2b und 2c,
... 2e und 2f ist jeweils ein Verbindungsbereich 3 vorgesehen.
Der Verbindungsbereich 3 ist durch eine Aussparung 6 der
Höhe hA und zwei diese Aussparung einfassende Stege 7 gebildet.
Die Stege 7 erstrecken sich zwischen jeweils zwei benachbarten
Montagebereichen 2a und 2b, ... 2e und 2f.
Aufgrund der Materialschwächung
durch das Vorsehen einer einzigen Aussparung in jedem der Verbindungsbereiche 3 lässt sich der
Träger 1 mittels
eines geeigneten Werkzeuges längs
der Biegelinien 16 auf einfache Weise zu einem vieleckigen
rohrartigen Gebilde formen. Da die Montagebereiche 2a ... 2f keine
Materialschwächung
aufweisen und das Material des Trägers 1 von Haus aus relativ
steif ausgebildet ist, findet in diesen Bereichen keine Biegung
statt.
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Die
Form des erfindungsgemäßen LED-Moduls
ist im Wesentlichen durch die Raumform des gebogenen Trägers 1 ausgebildet.
Da der Träger 1 in seiner
Grundform N=6 Montagebereiche und N-1 (fünf) Verbindungsbereiche aufweist,
entsteht nach dem Biegevorgang das in 4 gezeigte
rohrartige Gebilde mit einem sechseckigen Querschnitt. An der mit
dem Bezugszeichen 17 gekennzeichneten Stelle treffen die
Enden des verformten Trägers 1 aufeinander,
die beispielsweise durch eine Klebung oder eine Rastverbindung für eine bessere
Stabilität
miteinander verbunden sein können.
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Obwohl
in dem Ausführungsbeispiel
jeder der Verbindungsbereiche 3 mit lediglich einer einzigen
Aussparung 6 versehen ist, könnten pro Verbindungsbereich
auch mehrere Aussparungen vorgesehen sein. Anstatt der Aussparungen
könnte
das Material des Trägers 1 auch
lediglich bereichsweise in seiner Stärke, z.B. durch einen Fräsvorgang,
verringert sein. Letztendlich führt
jede Materialschwächung in
dem Verbindungsbereich dazu, dass der Träger beim Einbringen in ein
Verformungswerkzeug an den geschwächten Stellen als erstes nachgibt
und sich damit die gewünschte
Form erzeugen lässt.
Ebenso ist die Anzahl von sechs Montagebereiche willkürlich gewählt. Es
könnten
auch mehr oder weniger Montagebereiche vorgesehen sein.
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Vor
dem eigentlichen Verformungsschritt sind weitere Arbeitsvorgänge notwendig,
die anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren näher erläutert werden.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf die Grundform einer flexiblen Leiterplatte 5,
die später
mit den N Montagebereichen 2a ... 2f des Trägers 1 aus 1 jeweils
an einer ihrer Hauptoberflächen
miteinander verbunden werden wird. Die flexible Leiterplatte 5 ist
im Wesentlichen ebenfalls von rechteckiger Gestalt mit einer Breite
bFL und einer Höhe hFL.
Die Breite bFL kann dabei im Wesentlichen
der Breite bT des Trägers 1 entsprechen
oder geringfügig
kleiner sein. Die Höhe
hFL ist bevorzugt geringer als die Höhe hA der Aussparungen 6. Die bevorzugten
Größenverhältnisse
von Träger 1 und
flexibler Leiterplatte 5 werden besser aus der 3 ersichtlich,
in der die flexible Leiterplatte 5 bereits auf den Träger 1 aufgebracht und
jeweils mit den Hauptoberflächen
der N Montagebereiche verbunden ist. Die Einhaltung der genannten
Größenverhältnisse
weist den Vorteil auf, dass beim späteren Biegevorgang eine plastische Verformung
ausschließlich
in den Bereichen der Stege 7 stattfinden wird und eine
Beschädigung
der flexiblen Leiterplatte während
der Biegung vermieden wird. Eine plastische Verformung des Trägers im
Bereich der flexiblen Leiterplatte könnte dazu führen, dass partiell ein starker
Druck auf die auf der Außenseite
des Trägers 1 aufgebrachte
flexible Leiterplatte ausgeübt
werden könnte.
Um dies und eine eventuelle Beschädigung zu verhindern, sind
die Stege 7 im Randbereich des Trägers 1 vorgesehen,
so dass die flexible Leiterplatte 5 in dem durch eine jeweilige Aussparung 6 gebildeten
Zwischenraum hindurch laufen kann.
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Zurückkommend
auf die 2 wird auf der flexiblen Leiterplatte,
die vorzugsweise als Flexboard ausgeführt ist, eine integrierte Schaltung
aufgebracht, die Leiterzüge 9 und
Kontaktflächen 10, 11 und 12 umfasst.
Die Kontaktflächen 11,
die sich in LED-Bereichen der flexiblen Leiterplatte befinden, dienen
jeweils zur späteren
Kontaktierung einer LED. Die Kontaktflächen 11 sind in Gruppen
zu sechs Stück
angeordnet, wobei sich jede Gruppe in einem zugehörigen LED-Bereich
befindet.
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Jede
Gruppe bildet eine LED-Anordnung 14a ... 14f des
LED-Moduls. Jeder
der LED-Bereiche und damit jedes der LED-Module 14a ... 14f ist
einer der Montageflächen 2a ... 2f des
Trägers 1 zugeordnet.
Die Kontaktflächen 11 einer
LED-Gruppe 14a ... 14f sind über Leiterzüge 9 seriell miteinander
verschalten. Das mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnete
Kontaktflächenpaar
dient zur Kontaktierung eines Widerstandes. Die LED-Module 14a ... 14f sind über den
mit den Bezugszeichen 15 gekennzeichneten breiten Leiterzug
parallel geschalten. Eine Fahne 13, die an einer der Längsseiten
der flexiblen Leiterplatte 5 absteht, weist Kontaktflächen 12 zur
externen Kontaktierung der integrierten Schaltung auf der flexiblen
Leiterbahn auf.
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Die
gezeigte Anzahl von sechs LEDs pro LED-Anordnung ist lediglich beispielhaft
gewählt. Selbstverständlich könnten die
LED-Anordnungen eine beliebige Anzahl an LEDs aufweisen. Auch die gezeigte
elektrische Verschaltung der LEDs bzw. LED-Anordnungen ist lediglich beispielshaft
zum Zwecke der Beschreibung gewählt
und kann jederzeit in geeigneter Weise an unterschiedliche Gegebenheiten
angepasst werden.
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Das
Aufbringen der in 2 gezeigten flexiblen Leiterplatte 5 erfolgt
vorzugsweise durch einen Laminier-Vorgang und führt zu der in 3 gezeigten Anordnung.
Aus dieser Figur ist gut ersichtlich, dass jedes LED-Modul 14a ... 14f über einem
jeweils zugeordneten Montagebereich 2a ... 2f zu
Liegen kommt. Ausschließlich
in diesen Bereichen findet eine mechanische Fixierung der beiden
Bauelemente miteinander statt. Anschließend können die LEDs auf die dafür vorgesehenen
Kon taktflächen 11 aufgebracht werden.
Dies geschieht in bevorzugter Weise in einer Oberflächenmontage-Technik,
wobei die LEDs mittels eines herkömmlichen Pick-and-Place-Verfahrens direkt
auf der flexiblen Leiterplatte in den Montagebereichen 2a ... 2f montiert
werden, in denen die flexible Leiterplatte auf den Träger 1 aufgebracht
ist. Neben einer einfachen Fertigung hat das LED-Modul den Vorteil,
dass die im Betrieb entstehende Wärme der LEDs über den
Träger 1 gut
abgeleitet werden kann.
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In
einem letzten Schritt wird schließlich das in 3 entstandene
Halbzeug in die gewünschte Form
gebogen, die in 5 schematisch dargestellt ist.
In einem letzten Schritt können
die Enden des Trägers 1 (mit
dem Bezugszeichen 17 gekennzeichnet) miteinander mechanisch
verbunden werden.
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Durch
eine entsprechend ausgebildete elektronische Ansteuerschaltung,
die mit den Kontaktflächen 12 verbunden
werden kann, kann durch hintereinander erfolgendes Ein- und Ausschalten
der LED-Anordnungen der gewünschte
Drehlicht-Effekt erzielt werden. Somit entsteht der Eindruck, dass
das Licht rotiert. Die Ansteuerschaltung könnte ebenfalls auf dem Träger mit
aufgebracht werden, um Kosten für
eine zusätzliche
Leiterplatte einzusparen.
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Das
erfindungsgemäße LED-Modul
kann allgemein in allen Gebieten eingesetzt werden, in denen ein
Licht mit einer Abstrahlung von 360° oder ein rotierendes Licht
erforderlich ist, wie dies beispielsweise bei Warnblinkleuchten
der Fall ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das oben beschriebene
Ausführungsbeispiel
beschränkt,
sondern ist grundsätzlich überall dort
einsetzbar, wo in verschiedene Richtungen abstrahlende LED-Module
wünschenswert
sind.