JP2008503057A - 高出力ｌｅｄの電気光学組立体 - Google Patents

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Abstract

本発明は、導電性ヒートシンク（１８）およびヒートシンクの一端に取り付けられたＬＥＤ（１４）を含む高出力ＬＥＤの電気光学組立体（４０）を提供する。ＬＥＤ（１４）は、ヒートシンク（１８）と電気的に係合する。組立体（４０）は、ヒートシンクの他端に取り付けられた反射器（１２）も含む。反射器とヒートシンクの間に絶縁性の接合材料（１９）が与えられる。組立体（４０）は、反射器（１２）を通って延在する導電性結合ピン（１５）をさらに含み、このピンが、ＬＥＤ（１４）へピン（１５）を電気的に結合する電気的係合（１６）および反射器と導電性係合している。最後に、スリーブ（３２）が電気絶縁塗料（３４）でコーティングされている電気的スリーブ組立体（３０）が、ＬＥＤ電気光学組立体に与えられる。

Description

本発明は、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）技術に関し、詳細には様々な照明用途に所望の光学的出力を提供するＬＥＤ組立体における改善に関する。
ＬＥＤ組立体は周知であり、市販で入手可能である。そのような組立体は、種々様々な用途に、例えば、光によって開始される接着剤およびコーティング組成物の硬化を達成するのに使用される紫外線放射の生成のために一般に用いられる。
いくつかの要因がＬＥＤ組立体の製造にかかわってくる。１つは、安定していて信頼性の高いＵＶ源を提供するために、ＬＥＤに供給される高電流を制御することである。もう１つは、適所に光学出力を保持するためにレンズを適所に配置することである。さらに、導電用の経路を提供するための手段もＬＥＤの制御を提供するために必要である。ＬＥＤへの電流が増加するのに伴って、高電流、高信頼性の電気接点が必要になる。そのうえ、ＬＥＤからの光線を形成する反射器がしばしば必要とされる。さらに、組立体から熱を運び去るために冷却システムが必要とされる。現在、入手可能なＬＥＤ組立体は、これらの要件のすべてを十分に提供することができない。
現在、製造業者は様々な形で広範囲のＬＥＤパッケージを提供している。これらのパッケージは、従来型のＬＥＤランプから様々な寸法の発光体チップを使用するＬＥＤまである。既知のＬＥＤ組立体の多くは高い光線出力を生成するが、フラッシュなど、実用的用途での効率的なコリメーションおよび光線撮像のために取り込むのが困難な非常に分散した広角度の光線を生成する。その結果、多量の出力エネルギーが、ＬＥＤパッケージの側方からの漏れとして失われる。
そのうえ、ＬＥＤ組立体から放射された光は、通常均一には分散されない。発光チップの形が、高輝度領域として対象上に投射される。予測不能な光のパターンに由来する電極および壁からの反射が、光の主要な光線に重なる。その結果、照光されている対象物上に望ましくないホットスポットおよび影が出現する。したがって、所定の領域にわたって、実質的に均一または一様な光の分布を必要とするあらゆる照明用途のために、照光されている対象物上にホットスポットや影が出現しないように、個々のＬＥＤ組立体から放射された光を拡散させるために透過拡散体または部分的な拡散体を使用する必要がある。しかし、拡散体がホットスポットや影を除去するのと同時に、「指向性」すなわち個別のＬＥＤ組立体から放射された光線の形状が、劣化または低減しないことが重要である。
既知の光源に関するこれら上記の不都合を克服するために、柔軟な設計を有し、製造が簡単で組立コストを低下させるＬＥＤ硬化ランプ組立体を提供する必要性がある。
本発明の一実施形態では、電気的絶縁体でコーティングされた全体的に円筒状のスリーブを有するＬＥＤ電気光学体の電気的スリーブ組立体が開示される。この組立体は上部と下部に分割され、上部と下部は絶縁材料によって分離されている。少なくとも１つのＬＥＤおよび導電性反射器が上部に取り付けられ、反射器がＬＥＤを囲む。導電性ヒートシンクが下部に取り付けられ、ＬＥＤと電気的に係合している。さらに、導電性結合ピンが、導電性反射器を通って延在し、反射器と導電的に係合している。電気的係合によって結合ピンがＬＥＤと電気的に係合し、前記ＬＥＤに電力供給するための導電性経路をヒートシンクおよび反射器が形成する。
本発明の図１を参照すると、ＬＥＤ光線形成接触組立体１０の概略図が示されている。組立体１０は、ＬＥＤと電気的接触を伴う接触、およびＬＥＤからの光線の形成を同時に提供する方法のコンパクトな手段であるが、これは以下で説明されるであろう。接触組立体１０は、どちらも金属製の２つの接点、すなわち上部電極１０ａと下部電極１０ｂに分割されている。上部電極１０ａは、好ましくはアルミニウム製の金属反射器１２を含む。金属反射器１２は、電極１０ａ内へ圧入され、導体反射器組立体を形成する。金属反射器１２は、曲線状に形作られてよく、一般に、ＬＥＤ光をコリメートし、レンズへと向ける働きをするが、以下でより詳細に説明されるであろう。好ましい一実施形態では、反射器１２は楕円状に形作られる。ＬＥＤチップ１４は、望ましくは電極１０ａの中心に配置され、全体的または部分的に反射器１２に囲まれる。さらに、ＬＥＤチップ１４は反射器１２から電気的に絶縁されている。金属が優れた導電体であるため、金属反射器１２および金属電極１０ａは、どちらもＬＥＤチップ１４から離れたところに電気的伝達経路を提供する。図１に示されるように、望ましくは金でコーティングされた導電性金属ピン１５が、組立体１０内へ上部電極１０ａ内にて圧入される。金ワイヤまたは複数のワイヤ１６などの電気的係合が、上部電極１０ａからＬＥＤ１４まで通る。金ワイヤ１６の一端が金属ピン１５に半田付けされ、他端がＬＥＤチップ１４の天面に溶接されて、ＬＥＤ１４にピン１５を電気的に係合させる。
個々のＬＥＤ組立体内のチップを通って電流が流れると、光と熱の両方が発生する。チップを通る電流が増加すると光出力が上昇するが、電流増加によって個々のＬＥＤ組立体内のチップ温度も上昇する。この温度上昇によってチップの効率が低下する。過熱は、個々のＬＥＤ組立体の故障の主原因である。間違いのない動作を保証するために、電流およびその結果の光出力を低レベルに保つか、または個々のＬＥＤ組立体内のチップから熱を運び去る別の手段を設ける必要がある。したがって、下部電極１０ｂは、ＬＥＤチップ１４から熱を運び去る働きもする導電性のヒートシンク１８と定義することができる。上部電極１０ａおよび下部電極１０ｂは、非導電性接着剤などの電気的絶縁材料１９で一緒に保持される。ＬＥＤ１４は、接着材料１９によって底面がヒートシンク１８に接着または半田付けされるように、組立体１０内に配設される。ＬＥＤ１４を介して電気的結合を可能にするために、上部電極１０ａおよび下部電極１０ｂの両方にそれぞれ電圧が印加される。これにより、ヒートシンク１８が熱を運び去り、反射器１２の湾曲面がＬＥＤ１４からの光を所望のパターンへと形成させる。図１にはＬＥＤ１４が１つだけ示されているが、組立体１０では多数のＬＥＤを使用可能であることを理解されたい。
一方の電気接点１０ａを反射器と共に、もう一方の電気接点１０ｂをヒートシンクと共に設けることによって、ＬＥＤ光線形成接触組立体１０は、製作が簡単になり、組立コストが低減し、最終組立が簡単になる。さらに、ＬＥＤ光線形成接触組立体１０は、複雑さが著しく増加することなしに、組立体内で複数のＬＥＤへと拡大することが可能である。
光学組立体全体の動作をさらに例示するために、図２Ａから図２Ｃに単一ＬＥＤ組立体の光線の例を示す。単一ＬＥＤ組立体のＬＥＤチップ１４が複数のＬＥＤチップ１４と取り替えられるとき、結果として類似の光線図になることを当業者なら理解するであろう。
図２Ａから図２Ｃに、図１のＬＥＤ形成接触組立体１０を小型の光学部品と共に使用して完全な光線形成システムを形成するＬＥＤ光変換組立体２０を示す。光学部品は、所望の位置に光をコリメートして所望のスポットサイズへと光を集束させることによりＬＥＤチップ１４によって生成された光を管理するレンズ２２を含む。コリメート光線の中央に置かれるように、レンズ２２は組立体内で正確に取り付けられるかまたは成型されることができる。レンズ２２の形状および／または寸法は、ＬＥＤ組立体から放射された光の円錐状光線を整形して、所望の光学照明パターンを提供するために、変化させることができる。
個々のＬＥＤ組立体２０に関して、レンズ２２の集束作用は、レンズ２２の半径およびレンズ２２の位置決めの両方に左右される。レンズ２２の半径および位置は、対象物の照明を最適化するために、どちらも設計過程で設定することができる。光学レンズ２２を正確に配置し、かつ固定できることは、この用途における重要な概念である。レンズ２２は、所望の光線出力を実現するために、ＬＥＤ１４から正確な距離に位置決めする必要がある。
図２Ａでは、球状の光学レンズ２２ａが、上部電極１０ａの反射器１２内に部分的に位置する。本発明では球状の光学レンズ２２ａが示されているが、他の異なった形状のレンズを選択できることを理解されたい。このレンズは、所望の出力に依存して、種々に変えることができる。本発明では、入手可能なＬＥＤ出力で最大の光パワー密度を生成するために、球状のレンズ２２ａが選択されている。ＬＥＤ出力は、球状の光学レンズ２２ａのすぐ外側にある所望の点に集束する。コリメート光線が望まれる場合は、望ましくは図２Ｂに示される半球光学レンズ２２ｂまたは図２Ｃに示される放物面光学レンズ２２ｃを使用することができる。図２Ｂの放物面光学レンズ２２ｂは、レンズの一部が反射器１２内にあるように配置され、残りの部分は組立体２０の外部にあるように配置される。レンズ２２ｂのこの配置は、図２Ｂに示されるような広い光パターンを放射して、ワーク上のはるかに大きな領域を照光する。しかし、放物面光学レンズ２２ｃは、図２Ｃに示されるように、完全に反射器１２および／または組立体２０の外部に配置される。図２Ｃにおけるレンズ２２ｃのこの配置は、図２Ｂの領域より狭い光パターンを放射し、それによってワーク上の特定の領域を照光する。この方法は、正確かつ迅速に製造することができる強固な組立体を提供する。ＬＥＤ光線形成接触組立体の寸法、その他の光学レンズ２２は、好ましくは変更することができ、その上、ＬＥＤ１４とレンズ２２間の距離および配置を変化させることも可能であり、完成した組立体のコストおよび複雑さを最小化すると同時に広範囲の光学部品に対応する。
ＬＥＤ配列の寸法および所望の出力輝度は、使用されるＬＥＤ組立体の数によって決定される。エンドユーザは、ＬＥＤ配列にＬＥＤ組立体を増設するかまたはＬＥＤ配列からＬＥＤ組立体を取り去ることにより、容易に出力輝度を増減することができる。使用者は、第１の動作波長を有する１つまたは複数のＬＥＤ組立体を、第２の波長を有する１つまたは複数の置換組立体と取り替えることにより、組立体の動作波長を変更することもできる。さらに、使用者は、全ＬＥＤ配列を交換せずに、損傷を受けたＬＥＤ組立体または寿命の切れたＬＥＤ組立体を交換することができる。
光学組立体１０および２０の光学的特性に関して、各々、ＬＥＤ１４は、所定の光学パワーおよび所定の光学波長で拡散光を放射する。本発明による例示のＬＥＤ１４は、望ましくは４０５ｎｍで好ましくは５００ｍｗより大きな光学パワーを放射する。反射キャビティは、ＬＥＤ１４が反射キャビティ内の好ましい位置に配置されるとき、ＬＥＤ１４によって放射されたほとんどの拡散光をコリメートする。放物面反射器１２は、ＬＥＤ１４が図２に示されるように楕円形の反射器１２の焦点または焦点の近傍に配置されるとき、ほとんどの光をコリメートする例示の反射キャビティを表わす。本発明のコリメート手段が、楕円形の反射器１２に限定されないことが当業者には理解されよう。当業者に周知の、他のＬＥＤコリメート手段も、本発明において実施することができる。
好ましくはＬＥＤ光学組立体などの小さな光学組立体を作成するために、適所に出力レンズを保持する手段を有すること、また、導電用の経路を設けることも必要である。そのような手段の１つは、図３に示される電気的スリーブ組立体３０である。組立体３０は、好ましくはアルミ合金の導電性であり、好ましくは非導電性接着剤などの電気絶縁塗料３４でコーティングされたアルミニウム製の全体的に円筒状のスリーブ３２を含む。スリーブ３２の外側は、外部の電気接続部との接触を可能にするためにマスキングされるが、これは以下でより詳細に説明されるであろう。組立体３０は、図３に示されるような上部端にスロット３６がある破断図を示す。スリーブ３２がコーティングされた後、これらのスロット３６は、スリーブ内に好ましくは機械加工される。スロット３６によって、今や地金の組立体３０が大きな領域にわたって露出し得るので、接着剤などの導電性皮膜がスリーブスロット３６とスリーブ３６内部の金属接点の間に施されると、露出表面全体では非常に低抵抗の接触をもたらす。導電性接着剤によって、外側のスリーブ３２に組立体内部の反射器１２が結合される。あるいは、スリーブ３２へ反射器１２を接合するためにワイヤボンディングを適用してもよい。２つのスロット３６は、スリーブ３２と接触するために４つの開放面を提供する。さらに、スロット３６の長さにより、また、２つのスロット３６の各２つの表面がコンパクトな組立体の中で最大の表面積をもたらすという事実により、導電率が最大になる。スリーブ３２の上部端の形状は、好ましくは組立体３０と共に使用されるレンズを保持するために変更される。簡単に、スリーブ３２内にレンズを配置し、また好ましくはＬＥＤ組立体上にスライドさせ、次いでスロット３６に導電性接着剤を塗るかまたはスリーブ３２へ反射器１２をワイヤボンディングすることによって、電気光学組立体は電気的に結合されるが、これは図４を参照しながら以下でより詳細に説明されるであろう。
ＬＥＤ１４は、光線形成接触組立体１０、ＬＥＤ可変光学組立体２０およびＬＥＤレンズを支持する電気的スリーブ組立体３０と組み合わせられて、図４に示されるような完成したＬＥＤ電気光学組立体４０を形成する。ＬＥＤ１４は、導電材料製のヒートシンク１８に接合されるかまたは半田付けされる。一旦ＬＥＤ１４が、絶縁材料１９でヒートシンク１８に接合させると、光線形成接触組立体１０は適所に接合される。再び、ＬＥＤ１４のトップ面が金ワイヤ１６によって導電性金属ピン１５に接合される。ピン１５は、好ましくは金でコーティングされ、金属接触組立体に圧入される。接触組立体の金属は、反射率と導電率を求めて選択されるので、ＬＥＤ出力を管理し、光線形成接触組立体１０の外側表面にＬＥＤ１４のトップ面を電気的に結合する働きをすることになる。次に、ＬＥＤ可変光学組立体２０には、好ましくは球状の光学レンズ２２ａが取り付けられる。
最後に、ＬＥＤレンズを支持する電気的スリーブ組立体３０が、ヒートシンク１８上に構造用接着剤３４を施して取り付けられる。反射器１２は、好ましくは構造用接着剤３４でヒートシンク１８に接合される。したがって、構造用接着剤３４は、ヒートシンク１８からの、かなりの熱伝導および付加的な電気的絶縁を提供して、組立体を総合して安全に保つように機能する。さらに、好ましくは導電性接着剤４２がスロット３６に施されて、外側のスリーブ３２を反射器１２へ接合する。あるいは前述のように、組立体内部の反射器１２と好ましくはアルミニウム製の外側スリーブ３２の間のワイヤボンディングに、ワイヤ、好ましくはアルミニウム（図示せず）を使用してもよい。反射器１２と外側スリーブ３２の表面の下にある凹部（図示せず）を接合するために、好ましくは複数のワイヤボンディングが使用される。また、その凹部は、望ましくは保護のためにコーティングされる。導電材料が熱で硬化され、完成したＬＥＤ電気光学組立体４０が形成される。繰り返しになるが、組立体４０に単一のＬＥＤ１４のみ示されていても、好ましくは複数のＬＥＤデバイスが組立体に接合されてよい。
２つの個々のＬＥＤ組立体が正確に同じではないので、ＬＥＤ１４または複数のＬＥＤの個々の調整が必要である。反射器１２内のチップ１４の配置、反射器カップ１２の配置、電極１０ａおよび１０ｂの配置および光学レンズ２２の配置から差異が生じる。これらの要因はすべて、光線の形状および方向に影響を及ぼす。個々のＬＥＤ組立体の製造工程により、個々のＬＥＤ組立体内の構成要素は非常に広範囲の位置関係を示す。したがって、特定領域の照明を必要とするあらゆる用途については、個々のＬＥＤ組立体を手作業で調整し、何らかの機械的支持手段によって適所に恒久的に保持しなければならない。
本発明を説明するために単一のＬＥＤが使用されているが、当業者なら本明細書に説明された本発明が複数のＬＥＤまたはＬＥＤ配列に適用されることを理解するであろう。照明用に、必要に応じて複数のＬＥＤを任意のやり方で配置することが可能である。
本発明では、ＬＥＤ１４は、長方形枠体で示されているが、開示された発明によれば、ＬＥＤ照明器は、光硬化、ビデオ、ショーウィンドウ、写真または特に製品展示を含むがこれだけには限定されない広範でいろいろな用途に光を供給するのに適切な任意の形状に形成され得ることを当業者なら理解するであろう。開示されたＬＥＤ照明器の耐久性および堅牢な構造のために、屋外装置、海上の用途または過酷な環境で使用することができる。
本発明のＬＥＤ光線形成接触組立体の概略図である。 図１の光線形成接触組立体を使用したＬＥＤ光変換組立体の概略図である。 本発明の電気的スリーブ組立体の概略図である。 本発明のＬＥＤ電気光学組立体の概略図である。

Claims (40)

  1. 少なくとも１つのＬＥＤと、
    前記ＬＥＤが一端に取り付けられ、かつ電気的に係合する導電性ヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの前記一端に取り付けられ、前記ＬＥＤを囲む導電性反射器と、
    前記ヒートシンクから前記導電性反射器を電気的に絶縁する絶縁部材と、
    前記導電性反射器を通って延在し、これと導電的に係合する導電性結合ピンと、
    前記結合ピンを前記ＬＥＤと係合させる電気的係合とを備え、
    前記ヒートシンクおよび前記反射器が、前記ＬＥＤに電力を供給するための導電性経路を形成するＬＥＤ電気光学組立体。
  2. 前記ヒートシンクが前記一端に平面を含み、前記ＬＥＤが前記平面に取り付けられる請求項１に記載の組立体。
  3. 前記反射器が反射器を通る中央開口を有する楕円の反射器であり、前記ＬＥＤが前記中央開口内に取り付けられる請求項２に記載の組立体。
  4. 前記絶縁部材が、前記ヒートシンクに前記導電性反射器を固定するための接合材を含む請求項３に記載の組立体。
  5. 前記ヒートシンクがヒートパイプである請求項１に記載の組立体。
  6. 前記結合ピンが金めっきされている請求項１に記載の組立体。
  7. 前記ワイヤボンディングが、前記ＬＥＤに前記結合ピンを相互接続するワイヤジャンパーである請求項１に記載の組立体。
  8. 前記光学反射器に隣接して配置された光学レンズ部材をさらに含み、前記ＬＥＤから放射される光線を集束させるために、前記光学レンズ部材が前記ＬＥＤから間隔をおいて配置されている請求項１に記載の組立体。
  9. 前記光学レンズ部材は、少なくとも一部が前記光学反射器内に保持される請求項７に記載の組立体。
  10. 前記光学レンズ部材が、強化された光パワー密度を生成するための球状レンズである請求項７に記載の組立体。
  11. 前記光学レンズ部材がコリメート光を生成するための半球レンズである請求項７に記載の組立体。
  12. 前記ヒートシンク、前記反射器および前記光学レンズ部材を保持する導電性保持スリーブをさらに含む請求項７に記載の組立体。
  13. 前記導電性スリーブが、前記導電性反射器と電気的導通に配置される請求項１２に記載の組立体。
  14. 前記導電性スリーブが、前記ヒートパイプから絶縁して分離される請求項１３に記載の組立体。
  15. 前記導電性スリーブが、前記ヒートパイプに前記スリーブを固定する絶縁性接着剤によって前記ヒートパイプから絶縁して分離される請求項１３に記載の組立体。
  16. 前記導電性スリーブが絶縁コーティングされている請求項１３に記載の組立体。
  17. 前記スリーブが、前記スリーブを通りかつ前記導電性反射器に隣接する少なくとも１つの通路を含む請求項１５に記載の組立体。
  18. 前記スリーブと前記反射器の間に導電性の係合を確立するために、前記通路が導電性接着剤で充填される請求項１７に記載の組立体。
  19. 前記通路が、前記スリーブおよび前記反射器と電気的に係合する請求項１７に記載の組立体。
  20. 導電性ヒートシンクに少なくとも１つのＬＥＤを導電的に取り付けるステップと、
    内部を通って延在する結合ピンを含む導電性反射器で前記ＬＥＤを囲むステップと、
    前記ＬＥＤに前記結合ピンを電気的に係合させるステップとを含むＬＥＤ電気光学組立体の形成方法。
  21. 前記反射器と前記ヒートシンクの間に絶縁体を挿入するステップをさらに含む請求項２０に記載の方法。
  22. 前記囲むステップが、前記反射器と前記ヒートシンクの間に絶縁接合材を配設するステップを含む請求項２０に記載の方法。
  23. 前記ワイヤボンディングのステップが、前記ピンと前記ＬＥＤの間に導電性のボンディングワイヤを介在させるステップを含む請求項２０に記載の方法。
  24. 前記ヒートシンクがヒートパイプである請求項２０に記載の方法。
  25. ＬＥＤ電気光学体の保持組立体であって、
    上部および下部を有し、電気的絶縁体でコーティングされた全体的に円筒状のスリーブと、
    接合材を挿入するための上部に配置された少なくとも１つの通路とを備え、
    前記上部が前記電気光学体を保持するために改変される保持組立体。
  26. 前記スリーブがアルミニウム製またはその合金製である請求項２５に記載の組立体。
  27. 前記接合材が、前記スリーブと前記上部内の金属接触の間に導電性係合をもたらす請求項２５に記載の組立体。
  28. 前記接合材が導電性接着剤である請求項２７に記載の組立体。
  29. 前記接合材がワイヤである請求項２７に記載の組立体。
  30. 前記上部が第１の電極部材を含み、反射性表面が前記上部にプレスされて取り付けられる請求項２７に記載の組立体。
  31. 前記下部が、導電性ヒートシンクが取り付けられた第２の電極部材を含む請求項２７に記載の組立体。
  32. 絶縁部材によって分離された上部および下部を有し、電気的絶縁体でコーティングされた全体的に円筒状のスリーブと、
    前記上部に取り付けられた、少なくとも１つのＬＥＤおよびそれを囲む導電性反射器と、
    前記下部に取り付けられ、前記ＬＥＤと電気的に係合する導電性ヒートシンクと、
    前記導電性反射器を通って延在し、これと導電的に係合する導電性結合ピンと、
    前記結合ピンを前記ＬＥＤと係合させる電気的係合とを備え、
    前記ヒートシンクおよび前記反射器が、前記ＬＥＤに電力を供給するための導電性経路を形成するＬＥＤ電気光学体の電気的スリーブ組立体。
  33. 上部に配置された一対のスロットをさらに備える請求項３２に記載の組立体。
  34. 前記スロットが、導電性接着剤でコーティングされて前記反射器に前記スリーブを接合する請求項３３に記載の組立体。
  35. 前記反射器が、アルミニウム線によって前記スリーブに接合される請求項３３に記載の組立体。
  36. 前記反射器が、前記絶縁部材によってヒートシンクに接合される請求項３２に記載の組立体。
  37. 前記反射器に隣接して配置された光学レンズ部材をさらに含み、前記ＬＥＤから放射される光線を集束させるために、前記光学レンズ部材が前記ＬＥＤから間隔をおいて配置されている請求項３２に記載の組立体。
  38. 前記上部が、前記光学レンズ部材を保持する請求項３７に記載の組立体。
  39. 前記光学レンズ部材は、少なくとも一部が前記反射器内に保持される請求項３７に記載の組立体。
  40. 前記光学レンズ部材が、前記反射器の完全に外側に配置される請求項３７に記載の組立体。
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