JP4621681B2 - 改良型ｌｅｄ照明モジュール - Google Patents

Description

この発明は、携帯用の手持ち型照明装置の分野に関し、より詳しくは、ＬＥＤ懐中電灯（フラッシュライト）に適したＬＥＤ照明モジュールに関する。

この出願は、２００３年６月１０日に出願された出願番号６０／４７７，３１９の米国仮特許出願に関連し、それをここに援用するとともに、米国特許法第１１９条に従って優先権を主張する。

一般的な懐中電灯に最低限必要なものは、エネルギ源、典型的には１個または複数個の電池、光源、通常は白熱電球または最近では一個のＬＥＤもしくは一並びの複数のＬＥＤ、エネルギのオンとオフを開閉する手段、およびケースまたはハウジングである。ＬＥＤ懐中電灯は、主に白熱ユニットに比べて消費電力が少なく動作温度が低いことにより、典型的にランプおよび電池の寿命が長い点で優れている。より良く設計されたＬＥＤ懐中電灯は、同一またはより高電力で作動する白熱ユニットに比べて、同等またはそれ以上の照明強度を有する。

しかしながら、ＬＥＤ懐中電灯は、典型的には、従来の白熱懐中電灯に比べて光ビームの強度が低いものであった。典型的なＬＥＤ懐中電灯器具は、幅の広い、一点に集中させない光ビームを生成するか、または中心に高強度の小さい光のスポットがあって、その回りに中心より強度の低い光が拡散している。照度の因子である強度、ビームの形状およびビームの分布は、設計者によってではなく、構成要素の配置構成によってほぼ決まる。

必要なのは、ＬＥＤの拡散したエネルギパターンを一点に集めまたは集中させて一本のビームにする設計である。ビームの形状および強度は、その反射器の表面の輪郭の選択によって設計時に完全に制御することができ、配置構成による制限を受けない。

この発明は、電源を含む懐中電灯本体を有するＬＥＤ懐中電灯のための照明モジュール、すなわち、構成要素の取合せであり、備えられているその構成要素は、懐中電灯本体との結合に適合したハウジングと、前記電源に結合したＬＥＤ光源と、前記ハウジングに結合しＬＥＤ光源と熱的および機械的に結合しているヒートシンクと、そして、ハウジングに結合し光軸を有する反射器である。ＬＥＤ光源は、光軸上でその主光線方向を前方照明方向とは逆向きに反射器へ向けてヒートシンクにより位置決めされ、また光学的に直に反射器に結合している。反射器は、ＬＥＤ光源からの光を前方照明方向に反射する。このモジュールは、懐中電灯本体および電源に、ユニットとして作動可能に結合するように取り合わされ配置構成されている。反射器表面は、円錐形以外の形に作られてＬＥＤからのエネルギのカスタム分布パターンの反射ビームを提供することができる。

このモジュールは、さらに、電源からＬＥＤ光源に電力を供給するために、ハウジング内に配置された回路を備えてなる。回路基板がハウジング内に配置され、その回路基板上に前記回路が搭載され反射器とハウジングの少なくとも一方に結合している。

ここに図解し詳解する実施形態では、そのモジュールは、従来の懐中電灯本体および電源の中へユニットとして作動可能に結合するように取り合わされ配置構成されている。ＬＥＤ光源は、前方照明方向と定義される反射器の前方に反射器の方へ向けてヒートシンクにより位置決めされている。

ヒートシンクは、電源からＬＥＤ光源への電気的結合を提供することができ、また放熱するためおよび反射器に対してＬＥＤ光源を位置決めするための放熱フィンを少なくとも一つ備えてなる。具体的に詳解する実施形態では、ヒートシンクは、反射器とハウジングの少なくとも一方に熱的に結合している。

別の実施形態では、ＬＥＤ光源は、光軸に沿って軸方向に移動可能である。ヒートシンクは、ＬＥＤ光源を保持しており、光軸に沿って軸方向に移動可能である。

具体的に詳解する実施形態は、ＬＥＤ光源と電源との間に絶縁された電気的結合を用いており、フレックス回路である。

その回路は、ＬＥＤ光源への電流を制御するもので、またＬＥＤ光源のオーバドライブの防止もできるＬＥＤドライバ回路を備える。

このモジュールまたは構成要素は、さらに、装置への電源供給をオン／オフする単一のスイッチを備える。別の実施形態では、第１のスイッチが装置への電源供給をオンまたはオフするために設けられ、そして第２のスイッチが懐中電灯のテールキャップまたはテールセクションに配置され、これも懐中電灯のオン／オフ状態を制御してもよい。

この装置および方法は、文法的な流暢さのために作用面からの説明でこれまで記載し、またこれ以降も記載するが、特許請求の範囲は、米国特許法第１１２条で明言的に規定されていないかぎり、いかなる形でも「手段」または「ステップ」の制限の解釈によって必然的に限定されるものと解釈してはならず、それは司法的な均等論の下に、特許請求の範囲が与える定義の意味および均等物の全範囲に一致させるものであり、また特許請求の範囲が米国特許法第１１２条に基づいて明言的に規定されている場合には、米国特許法第１１２条に基づく制定法上の均等物と完全に一致させるものであると、篤と理解されたい。この発明は、添付の図面を見ることにより、よりよく思い描くことができ、そこでは同じ要素は、同じ番号で参照されている。

次に、特許請求の範囲に定義されるこの発明の具体的な詳解例として呈示する好適な実施形態についての以下の詳細な説明に移ることにより、この発明およびその様々な態様をよりよく理解することができよう。特許請求の範囲により定義される発明は、以下に記述する具体的に詳解された実施形態に比べ範囲が広くあり得ると、ここでは正にそのように理解されたい。

この発明は、懐中電灯に発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用することに関し、それは、典型的には、懐中電灯本体と、電源と、制御要素類またはスイッチ類と、そして、照明モジュール２０、または、図示のモジュール内におけるそれぞれの構成要素の位置と同様の位置に懐中電灯本体内に配置され取り合わされた構成要素を含んでいる。以下の開示では、簡潔のため、照明モジュール２０またはそれと同等の個別の構成要素のみを説明するが、この発明の範囲は、懐中電灯本体、電源、制御器類またはスイッチ類を含み、それに限定されない、従来の懐中電灯の全ての要素を包含すると理解されなければならない。なお、それらは、これ以上説明はしない。この発明は、一個のＬＥＤ３または一並びの複数個のＬＥＤ３から発する光の効率的な収束および分配を提供する。この発明は、さらに熱の面での対策を含み、またＬＥＤ（一個または複数個）３の電子制御を含んでもよい。

この発明の好適な実施形態は、照明モジュール２０を備えてなり、当該照明モジュール２０は、ＬＥＤ（複数）３、ＬＥＤドライバ回路、ヒートシンク２、該ヒートシンク２を横切ってＬＥＤドライバ回路からＬＥＤ３に電流を伝達する手段、様々な構成要素を優先的な光学的整列に位置合わせするためのハウジング１、６、そして、懐中電灯の電池およびスイッチからのエネルギを回路基板７に搭載されたＬＥＤドライバ回路（図示せず）へと伝達する手段を組み込んでいる。その好適実施形態は、このモジュールをすでに製造されている従来型の懐中電灯本体の中へ改装組込みまたは挿入できるように取り合わされ配置構成されており、それにより、新たに製造される懐中電灯のためのモジュール２０、または同様に取り合わされた構成要素として使用できるとともに、従来の白熱電球および反射器と置き換えることができるようになっている。

図１および図２に示すこの発明は、エネルギ源、少なくとも１つのＬＥＤ３、反射器５、反射器５の上方にＬＥＤ（１または複数）３を取り付けるためのヒートシンク２、電池内のエネルギをＬＥＤ（１または複数）３を作動させるための所望の電圧と電流に変換するためのドライバ回路（図示せず）、および、その回路に結合した少なくとも１つのスイッチング機構または制御装置（図示せず）を有する高能率ＬＥＤ懐中電灯である。そのドライバ回路およびスイッチング機構または制御装置は、従来型であり、これ以上具体的に詳述しないが、現在知られておりまたは今後案出されるあらゆる公知のドライバ回路、スイッチング機構または制御装置を包含する。ドライバ回路、スイッチング機構または制御装置の個別詳細事項は、この発明にとって重要ではなく、ＬＥＤとともに用いられる多くの周知のドライバ回路、スイッチング機構または制御装置が、均等的に採用されることができる。

ＬＥＤ３は、ＬＥＤ３のための熱対策または温度調節を提供する熱伝導性材料で出来たヒートシンク２に取り付けられている。このヒートシンク２は、また、図１の分解斜視図および図２の組立て側断面図に示すように、ＬＥＤ３を反射器５の上方に位置決めもしており、ＬＥＤ３の主光線方向を反射器５の中へ向けている。反射器５は、次いで、光を照明モジュール２０の前面から出て懐中電灯の前方方向へと反射し戻す。図解した実施形態は、ＬＥＤ３が逆さを向いてモジュール２０からのビームが出て行く前方方向と逆の方向に反射器５の中へと後を向いているのを示している。反射器５は、２つの非常に重要な光学的役割を果たしている。第一の役割は、ＬＥＤを取り囲み、ＬＥＤから放射されるエネルギを実質的に全て収集することである。第二の機能は、こうして収集したエネルギを、設計者の意図したビームにして反射することである。最も簡単な形状では、反射器５は、全エネルギを狭い高強度のビームにして反射するために、放物状の形を採るであろう。しかしながら、この発明の意図は、殆どいかなる形のビームをも作り出せるように、反射器の表面の形状を操作できるようにして、ビーム設計の自由度をもたらすことにあり、それによりＬＥＤ３のほぼ全エネルギを好ましいまたはカスタム形状のビームの中へ入れ込もうというものである。ＬＥＤ３エネルギの１００パーセント近くが反射器５によって「捕捉」されることから、注文どおりのビームがほぼ可能な限り効率的なものとなる。

ヒートシンク２の機械的配置構成は、反射器５から戻る光を遮ることと、ＬＥＤ３に熱伝達を提供することとの折り合いである。適切な熱対策をすれば、ＬＥＤ（１個または複数）３の寿命を延ばし、利用可能な作動条件の幅を広げる。ヒートシンク２の材料が多く、また物理的大きさが大きいほど、熱伝導はより大きくなるが、反射器５からの反射光への干渉は大きくなる。ヒートシンク２は、ＬＥＤ３を包含するパッケージの基部または非光放射面を包封するまたは取り囲むハブ２４を通ってＬＥＤ３と熱的に密に結合することと、モジュール２０の光軸上にＬＥＤ３を位置させる役割を果たしている少なくとも１つの熱放散ラジアルフィン２２により、ＬＥＤ３から素早く熱を伝達させることを実現するように配置構成されている。フィン２２は、それぞれ弾力性のある一体でおそらく曲がっているアーム２６で終わっており、これもＬＥＤ３からの熱を伝導して放散する役割を果たす。アーム２６は、カラー１の中へと弾力的にスナップ止めされ、または押し込まれており、これはモジュール２０の前端部となり、また図２に示す透明な正面板２８を保持してモジュール２０の内部を外部環境から密封している。カラー１も、典型的には、熱伝導性であり、ヒートシンクとして機能して、ＬＥＤ３からの熱をモジュール２０の残りの部分および外部環境に伝達して放散する。図２に示すように、カラー１は、反射器５および以下に説明するハウジング６に対して密着して取り付けられており、ハウジング６も熱伝導性でヒートシンクとして働いてもよい。

これも、ＬＥＤ３の作動に必要な電力および制御回路（図示せず）を有していてＬＥＤ３へ電流を提供する採用随意の回路基板７は、回路基板７上の接点を介してか、または図解の実施態様では回路基板７にハンダ付けされまたは回路基板７に圧接されているスプリング接点１０を通してかにより、電源（図示せず）からの電流を受け取る。回路基板７は、ハウジング６内に画定される複数の支柱３８（その内の一つが図２に示されている）に固定されており、または反射器５の裏面から突き出ている軸柱４０に単純に接続されていてもよい。電源および制御装置またはスイッチからＬＥＤ３への電気的接続は、ヒートシンク２を通しても行われ、それはハウジング６と同様に電気的に伝導性である。典型的には、ヒートシンク２およびハウジング６は、従来のやり方で懐中電灯の本体を通して、または別途の電気的接続により、電源のアースに結合される。ＬＥＤを作動させる電流または電力は、絶縁ワイヤを介して、または図１および２に示す態様では平形のフレックス回路４により送達される。フレックス回路４は、反射器５内に画定された切抜き部３０を通って導かれ、反射器５の後方にある回路基板７上の電源および制御回路と電気的に結合されている。フレックス回路４は、少なくとも２本の絶縁ワイヤを含んで、ＬＥＤ３への電力路およびそのアース帰路の両方を提供してもよい。あるいはまたは、アース帰路は、絶縁ワイヤにより、または図解の実施態様ではヒートシンク２およびハウジング６の伝導性本体を通して提供することができる。ランプの回路は、集積回路としてまたは個別に配置された電気部品としてのいずれかの形で設計され、所定の電流をＬＥＤ３に提供するが、その電流は、入力電流に比例してもよく、または電源からの入力電流とは無関係にＬＥＤ３に定電流を提供してもよい。あるいはまた、ＬＥＤ３への電流は、ユーザにより決められまたは制御装置の組合せによって電気的に決められてもよい。ドライバ回路は、最低限ＬＥＤ３への電流を制御するものであり、ＬＥＤ３のオーバドライブを防止してもよい。

図３の正面平面図において最もよく見られるように、ラベル９が、正面板２８に貼り付けられて、ハウジング６内に画定された貫通孔３２、反射器５内に画定された貫通孔３４の中を通り、ヒートシンク２内に画定された受けネジ孔３６へとネジ止めされる固締部品８を隠すために、採用随意に用いられる。固締部品８は、モジュール２０の構成要素をつなぎ合わせる一方、必要時に保守のために分解を可能にしている。ラベル９は、さらに、図形による識別のための外側面も提供する。

ＬＥＤ３は、反射器５の中へ向けて位置決めされる。図解の実施形態では、ハウジング６は、反射器５とヒートシンク２／ＬＥＤ３のアセンブリの組合せとを整列させる（位置合せする）ための手段を提供するのに用いられる。別の実施形態では、ハウジング６は、別体のモジュールではなく、むしろ懐中電灯本体そのものであることもできる。しかしながら、図解の態様では、モジュール２０の構成要素は、従来の反射器、白熱電球および懐中電灯照明ヘッドの関連部分に替わって、従来の懐中電灯内に差し込むかねじ込むかする単体のランプユニットとして使われる、一つのアセンブリに形成されている。このように、ハウジング６は、その背部分にネジが切られているか、または従来のやり方で従来の白熱懐中電灯本体へ容易に結合するのに必要なその他のいかなる結合構造を設けてある、と理解されたい。このようにすれば、ユーザにより既存の従来の白熱懐中電灯を長寿命で明るいＬＥＤ懐中電灯に変換することができ、また設計上や製造上の変更をすることなく、予め存在する懐中電灯本体および電源パックを製造者によってＬＥＤ懐中電灯に変換することが可能になる。

反射器５は、望まれるであろうように、平行ビーム１５、集光ビーム、または発散ビームを提供するように設計してもよい。反射器５は、普通の円錐曲線またはその他の形状の面でもよい。反射器５の反射面は、コーティング処理され、切子面処理され、窪み処理され、またその他変を加えて、所望のビームパターンまたはビーム品質を提供してもよい。この発明は、反射器５がＬＥＤ３を取り囲み、そのほぼ全てのエネルギをその表面上に集める反射器５を提供する。さらに、この発明は、反射器５の表面がエネルギをほぼ全ての望ましいビーム形状に反射できることを記述する。その表面に集められたエネルギは、平行ビーム、均一に分布するビーム、不均一に分布するビーム、または殆どいかなる種類のビームでも提供するように、設計することができる。この可能性は、この発明のより重要な面の一つである。

多くの変更や修正が、この発明の精神および範囲から逸脱することなしに、当業者によってなし得るであろう。例えば、カラー１とハウジング６に付いたヒートシンク２との間の結合を変更して、固締部品８でハウジング６と反射器５を連結し合わせて、カラー１およびヒートシンク２を回転自在にして、カラー１とハウジング６との間を結合している雄ネジ／雌ネジの上を縦方向に出入りできるようにしたままでもよい。こうすることで、ＬＥＤ３は、反射器５の光軸上でその位置を縦方向に変えることができ、当分野で周知のように、反射器の特性に応じて、一般に「ズームコントロール」と呼ばれる、ビームの集束や形作りを許容してもよい。

したがって、ここに具体的に詳解した実施態様は、単に例示の目的として記載されたものであり、前掲の特許請求の範囲により定義される発明を制限するものと受け取ってはいけないと理解されなければならない。例えば、ある請求項の複数要素が特定の組合せで記載されているという事実に拘わらず、この発明は、より少ない要素、より多い要素、または異なる要素での他の組合せをも、たとえそのような組合せが当初請求されていなくても、上記に開示されているものは含むものであるということを、篤と理解しなければならない。

この発明およびその各種実施態様を記述するためにこの明細書で使用された語は、その一般的に定義された意味においてだけでなく、この明細書における特別の定義により、その一般的に定義されている意味の範囲を超えた構造、材料または働きを含むと理解すべきである。したがって、ある要素がこの明細書の文脈の中で二つ以上の意味を包含すると理解できる場合には、特許請求の範囲でのその使用は、この明細書およびその語自体により裏付けられる全ての可能な意味について包括的であると理解しなければならない。

したがって、前掲の特許請求の範囲の語および要素の定義は、この明細書において、文言どおりに記載された要素の組合せだけでなく、実質的に同一の要領で実質的に同一の作用をして実質的に同一の結果を得る全ての均等な構造、材料または働きを包含するものとして、定義されている。したがって、この意味で、前掲の特許請求の範囲におけるどの一つの要素を二つ以上の要素で等価的に置換してもよいこと、または特許請求の範囲における二つ以上の要素を単一の要素で置き換えてもよいことを、筆者は意図している。複数の要素が特定の組合せで働くように上述され、そのように当初請求されているかも知れないが、請求された組合せからの一つまたは複数の要素は、場合によっては、その組合せから外すことができ、また請求された組合せは部分的組合せにまたは部分的組合せの変形に向けられてもよいことを、篤と理解されたい。

当業者から見て、請求された主題からの非実質的な変更は、現在知られているものでも今後案出されるものでも、特許請求の範囲内の均等物であると意識的に意図している。したがって、当業者にとって現在知られておりまたは今後知られる自明な置換は、定義された要素の範囲内であるものと定義されている。

したがって、特許請求の範囲は、上記に具体的に図解および記述されたもの、概念的に均等なもの、自明に置き換えできるもの、およびこの発明の必須の思想を本質的に取り込んでいるものをも包含していると理解されるべきである。

この発明のＬＥＤ懐中電灯モジュールの分解斜視図である。 図１のモジュールの、図３の断面線２−２を通って見た側断面図である。 光がそこを通って出るモジュール端部の正面平面図である。

符号の説明

１ … カラー
２ … ヒートシンク
３ … ＬＥＤ光源
４ … フレックス回路
５ … 反射器
６ … ハウジング
７ … 回路基板
１５ … 平行ビーム
２０ … モジュール
２２ … 放熱フィン

Claims (16)

1. 前方照明方向を有する照明モジュールであって、
   ハウジングと、
   主光線方向を有する一個のＬＥＤで構成されたＬＥＤ光源と、
   前記ハウジングに結合し、そして前記ＬＥＤ光源に熱的および機械的に結合したヒートシンクと、
   前記ハウジングに結合し光軸を有する反射器であって、前記ＬＥＤ光源の前記主光線方向を前記照明モジュールの前記前方照明方向とは逆向きに前記反射器の中へ向けて前記ＬＥＤ光源が前記光軸上に位置決めされ前記反射器に直に光学的に結合し、前記反射器が前記ＬＥＤ光源から発せられた実質的に全ての光を集め、その集めた光を前記前方照明方向に反射する反射器と
   を備えてなる照明モジュール。
2. 請求項１に記載の照明モジュールであって、さらに、
   前記ＬＥＤ光源に電源から電力を供給するための回路を搭載し前記ハウジング内に配置された回路基板を備えてなる
   ことを特徴とする照明モジュール。
3. 請求項２に記載の照明モジュールにおいて、
   前記回路基板が前記反射器に結合されている
   ことを特徴とする照明モジュール。
4. 請求項２に記載の照明モジュールにおいて、
   前記回路基板が前記ハウジングに結合されている
   ことを特徴とする照明モジュール。
5. 請求項２に記載の照明モジュールにおいて、
   前記回路は、前記ＬＥＤ光源に過剰電流を流さないようにするために前記ＬＥＤ光源への電流を制御するＬＥＤ駆動回路を有する
   ことを特徴とする照明モジュール。
6. 請求項１に記載の照明モジュールにおいて、
   前記照明モジュールが従来の電源付きの白熱懐中電灯本体の中へユニットとして作動可能に結合するように取り合わされ配置構成されている
   ことを特徴とするモジュール。
7. 請求項１に記載の照明モジュールにおいて、
   前記ＬＥＤ光源が前記前方照明方向で定義される反射器の前方においてヒートシンクにより位置決めされている
   ことを特徴とするモジュール。
8. 請求項１に記載の照明モジュールであって、さらに、
   その装置の電源をオン／オフする単一のスイッチを備えてなる
   ことを特徴とする照明モジュール。
9. 請求項１に記載の照明モジュールであって、さらに、
   その装置の電源をオン／オフする第１のスイッチと、
   懐中電灯のテールキャップまたはテールセクションに設けられ、前記懐中電灯のオン／オフ状態を制御することもできる第２のスイッチとを備えてなる
   ことを特徴とする照明モジュール。
10. 請求項１に記載の照明モジュールにおいて、
    前記反射器は、前記ＬＥＤ光源からのエネルギのカスタム分布パターンの反射光線を提供する形状の表面を有する
    ことを特徴とする照明モジュール。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の照明モジュールにおいて、
    前記ヒートシンクが電源から前記ＬＥＤ光源への電気的結合を提供する
    ことを特徴とする照明モジュール。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の照明モジュールにおいて、
    前記ヒートシンクは、放熱するためおよび前記反射器に対して前記ＬＥＤ光源を位置決めするための少なくとも１つの放熱フィンを有する
    ことを特徴とする照明モジュール。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の照明モジュールにおいて、
    前記ヒートシンクが前記反射器と前記ハウジングの少なくとも一方に熱的に結合されている
    ことを特徴とする照明モジュール。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の照明モジュールにおいて、
    前記ＬＥＤ光源が前記光軸に沿って軸方向に移動可能である
    ことを特徴とする照明モジュール。
15. 請求項１４に記載の照明モジュールにおいて、
    前記ヒートシンクが前記ＬＥＤ光源を保持し前記光軸に沿って軸方向に移動可能であることを特徴とする照明モジュール。
16. 請求項１に記載のモジュールであって、さらに、
    前記ＬＥＤ光源と電源との間に可撓回路を有する絶縁された電気的結合を備えてなることを特徴とする照明モジュール。

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