KR20100017658A - 향상된 방열 및 제조성을 갖는 표면 조명을 위한 ｌｅｄ 기반 조명 설비 - Google Patents

향상된 방열 및 제조성을 갖는 표면 조명을 위한 ｌｅｄ 기반 조명 설비 Download PDF

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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

각각의 컴포넌트들 사이의 기계적 및/또는 열적 결합이 하나의 컴포넌트에서 다른 컴포넌트로의 힘의 전달을 통해 달성되는 LED 기반 조명 장치들(100) 및 조립 방법들이 개시된다. 일례에서, 다중 LED 어셈블리가 하우징(105)의 일부를 형성하는 히트 싱크(120)와 열 전달하도록 배치된다. 압력 전달 부재(174) 내에 배치되는 주요 광학 요소(170)가 각각의 LED(168) 위에 배치되고 그와 광학적으로 정렬된다. 하우징의 다른 부분을 형성하는 공유되는 보조 광학 설비(130)가 압력 전달 부재들(174) 위에 배치되고 그들과 압축 결합된다. 보조 광학 설비(130)에 의해 가해지는 힘이 압력 전달 부재들을 통해 전달되어, LED 어셈블리를 히트 싱크(120)를 향해 가압함으로써, 열 전달을 용이하게 한다. 일 양태에서, LED 어셈블리는 접착제의 필요 없이 하우징 내에 고정된다. 다른 양태에서, 보조 광학 설비는 어떠한 주요 광학 요소에도 직접 압력을 가하지 않으며, 따라서 광학 오정렬이 감소된다.
LED 기반 조명 장치, 방열, 히트 싱크, 접착제, 하우징

Description

향상된 방열 및 제조성을 갖는 표면 조명을 위한 ＬＥＤ 기반 조명 설비{LED-BASED LIGHTING FIXTURES FOR SURFACE ILLUMINATION WITH IMPROVED HEAT DISSIPATION AND MANUFACTURABILITY}
디지털 조명 기술, 즉 발광 다이오드(LED)와 같은 반도체 광원에 기초하는 조명은 전통적인 형광, HID 및 백열 램프들에 대한 실용적인 대안을 제공한다. LED의 기능적인 이점들 및 이익들은 높은 에너지 변환 및 광학적 효율, 강건함, 보다 낮은 운영 비용 등등을 포함한다. LED는 낮은 프로파일의 조명 설비(fixture)를 필요로 하는 응용들에 특히 적합하다. LED들의 보다 작은 크기, 긴 동작 수명, 낮은 에너지 소비 및 내구성은 공간 수요가 많을 때 이들을 탁월한 선택이 되게 한다. 예를 들어, LED 기반 선형 설비들은 내부 또는 외부 응용들을 위한 투광 조명 기구(floodlight luminaire)들로서 구성되어, 건축물 표면들에 대한 벽 세정(wall-washing) 또는 벽 그레이징(wall-grazing) 조명 효과들을 제공하고, 3차원 물체들의 선명도를 향상시킬 수 있다.
특히, 높은 광속의 LED들을 사용하는 조명 기구들은 그들의 더 높은 전반적인 발광 효율 및 다양한 광 패턴 생성 능력으로 인해 종래의 광 설비들에 대한 우수한 대안으로서 빠르게 알려지고 있다. 그러나, 이러한 조명 기구들의 설계 및 동작에 있어서의 하나의 중요한 관심사는 열 관리인데, 그 이유는 높은 광속의 LED 들이 동작 중에 발생하는 열에 민감하기 때문이다. 최적의 접합(junction) 온도의 유지는 효율적인 조명 시스템의 개발에 중요한 요소인데, 이는 LED들이 더 낮은 온도에서 동작할 때 더 높은 효율로 동작하고 더 오래가기 때문이다. 그러나, 일반적으로 팬들 및 다른 기계적 공기 이동 시스템들을 통한 적극적인 냉각의 사용은 주로 그의 고유 잡음, 비용 및 높은 유지 보수의 필요성으로 인해 일반 조명 산업에서 억제된다. 따라서, 방열은 종종 중요한 설계 고려 사항이 된다.
또한, LED 기반 조명 기구들은 상이한 열 팽창 특성들을 갖는 다수의 컴포넌트들로 조립되며, 통상적으로 이러한 컴포넌트들을 서로 접착하기 위해 접착 재료들에 의존한다. 그러나, 종래의 접착 재료들은 조명 기구의 동작 중에 가스를 방출하여, 그의 성능을 저하시킨다. 게다가, 접착된 컴포넌트들은 통상적으로 분리되지 못하며, 따라서 접착된 컴포넌트들 중 하나만이 고장나거나 교체되는 것이 필요한 경우에도 함께 폐기되어야 한다. 또한, 개별 컴포넌트들의 상이한 열 팽창/수축 특성들은 종종 조명 기구의 설계를 제한한다. 공지된 LED 기반 조명 기구들의 다른 단점들은 실장 및 배치 유연성의 부족은 물론, 선형 어레이들 내에 접속될 때의 개별 설비들 사이의 바람직하지 못한 그림자들을 포함한다.
따라서, 향상된 서비스 가능성 및 제조성은 물론, 광 추출 및 방열 특성들을 갖는 고성능 LED 기반 조명 장치에 대한 필요가 이 분야에 존재한다. 공지된 접근 방식들의 단점들을 방지하는 벽 세정 및/또는 벽 그레이징 응용들에 적합한 선형 LED 기반 설비가 특히 바람직하다.
<발명의 요약>
본 출원인은 전술한 단점들의 적어도 일부가 조명 기구 어셈블리에서 접착제의 사용을 줄이거나 없애고 그의 컴포넌트들 사이의 열 팽창 불일치를 줄임으로써 해결될 수 있다는 것을 인식하고 알게 되었다. 상기한 바에 비추어, 본 발명의 다양한 실시예는 일반적으로 LED 기반 조명 장치에 관한 것으로서, 조명 장치의 적어도 일부 컴포넌트들은 각각의 컴포넌트들 사이의 기계적 및/또는 열적 결합이 하나의 컴포넌트에서 다른 컴포넌트로의 힘의 적용 및/또는 압력의 전달에 적어도 부분적으로 기초하여 달성되도록 서로에 대해 배치되고 구성된다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예는 보조 광학 설비와 LED 어셈블리 사이에 배치되는 복수의 압력 전달 부재를 포함하는 LED 기반 조명 장치에 관한 것으로서, 복수의 압력 전달 부재는 (i) LED 어셈블리의 대응 LED 광원들 상에 주요 광학 요소들을 유지하고, (ii) LED 어셈블리를 주요 광학 요소들과 함께 보조 광학 설비에 의해 가해지는 압력하에 장치의 히트 싱크에 대해 고정하기 위한 것이다. 이러한 장치는 방열 및 광 추출 특성들을 향상시키며, 수리를 행하고 유지 보수를 제공하기 위해 쉽게 분해되고 재조립될 수 있다.
다양한 구현들에서, 여기에 개시되는 적어도 일부 실시예에 따른 조명 장치는, 장치의 물리적 구조가 서로 인접하는 것을 용이하게 하고, 보조 광학 설비들이 인접하는 장치로부터의 광의 혼합을 제공함으로써, 관찰자가 어떠한 광 방출 내의 갭들도 인식하지 못하는 다수의 장치의 연속적인 선형 어레이들을 생성하도록 구성된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예는 제1 표면을 구비하는 히트 싱크; 상기 히트 싱크 위에 배치되고, 인쇄 회로 보드 상에 배열되는 복수의 LED 광원을 포함하는 LED 어셈블리; 및 상기 복수의 LED 광원 위에 배치되는 복수의 속 빈(hollow) 압력 전달 부재를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다. 각각의 압력 전달 부재는 대응하는 LED 광원에 의해 생성되는 광을 시준하기 위한 주요 광학 요소를 포함한다. 상기 조명 장치는 상기 복수의 압력 전달 부재에 압축 결합되는 통합 보조 광학 설비를 더 포함하며, 따라서 상기 통합 보조 광학 설비에 의해 가해지는 힘은 상기 LED 어셈블리를 상기 히트 싱크의 제1 표면을 향해 밀도록 상기 압력 전달 부재에 의해 전달되며, 따라서 상기 LED 어셈블리는 상기 주요 광학 요소들과 함께 상기 장치의 히트 싱크에 대해 고정되고, 상기 LED 어셈블리에서 상기 히트 싱크로의 열 전달이 용이하게 된다.
상기 실시예의 일 양태에서, 통합 보조 광학 설비는 LED 광원으로부터의 광을 수신하고 전달하기 위한 렌즈를 정의하는 투명 상부 벽을 구비한다. 다른 양태에서, 통합 보조 광학 설비는 적어도 하나의 비접착 커넥터에 의해, 예를 들어 나사에 의해 히트 싱크에 연결될 수 있다. 또 다른 양태에서, 통합 보조 광학 설비와 압력 전달 부재 사이에 컴플라이언트 부재(compliant member)가 삽입될 수 있다. 또 다른 양태에서, 통합 보조 광학 설비는 주요 광학 요소들 중 어느 것에도 압축 결합되지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 제1 표면을 구비하는 히트 싱크, 및 제2 및 제3 대향 표면들을 구비하는 LED 인쇄 회로 보드를 포함하는 조명 장치에 관한 것으로서, 제2 표면은 히트 싱크의 제1 표면 상에 배치되고, 제3 표면은 그 위에 배치된 적어 도 하나의 LED 광원을 구비한다. 장치는 적어도 하나의 광원에 의해 방출되는 광을 수신하도록 배치되는 투명 상부 벽을 구비하는 통합 렌즈 하우징 부재, 및 대체로 LED 인쇄 회로 보드에서 통합 렌즈 하우징 부재의 투명 상부 벽으로의 방향으로 연장하는 지지 구조를 구비하고, 지지 구조에 접속되는 압력 전달 표면을 더 구비하는 압력 전달 부재를 더 포함하며, 압력 전달 표면은 LED 인쇄 회로 보드의 제3 대향 표면 상에 배치되고, 또한 LED 광원에 인접하게 배치된다. 장치는 압력 전달 부재의 지지 구조에 의해 정의되는 개구 내에 배치되는 광학 부재를 더 포함한다. 통합 렌즈 하우징 부재는 압력 전달 부재에 압축 결합되며, 따라서 통합 렌즈 하우징 부재에 의해 가해지는 힘은 압력 전달 부재를 통해 압력 전달 표면에 전달되어, LED 인쇄 회로 보드를 히트 싱크의 제1 표면을 향해 가압함으로써, LED 인쇄 회로 보드에서 히트 싱크로의 열 전달을 제공한다.
또 다른 실시예는 히트 싱크, 기판 상에 배치되는 복수의 LED를 포함하는 LED 어셈블리 및 복수의 광학 유닛을 포함하는 LED 기반 조명 장치에 관한 것이다. 복수의 광학 유닛의 각각의 광학 유닛은 압력 전달 부재 내에 위치하는 주요 광학 요소를 포함하며, 각각의 광학 유닛은 복수의 LED 중 상이한 LED 위에 배치된다. 장치는 복수의 광학 유닛 위에 배치되고 그에 압축 결합되는 보조 광학 설비를 더 포함하며, 따라서 보조 광학 설비에 의해 가해지는 힘은 압력 전달 부재를 통해 전달되어, LED 어셈블리를 히트 싱크를 향해 가압함으로써, LED 어셈블리에서 히트 싱크로의 열 전달을 용이하게 한다.
또 다른 실시예는 히트 싱크, 기판 상에 배치되는 복수의 LED를 포함하는 LED 어셈블리, 및 복수의 광학 유닛을 포함하는 LED 기반 조명 장치를 조립하는 방법에 관한 것이다. 방법은 (a) 히트 싱크 위에 LED 어셈블리를 배치하는 단계, (b) LED 어셈블리 위에 복수의 광학 유닛을 유지하여, 각각의 광학 유닛이 복수의 LED 중 상이한 LED 위에 배치되게 하는 단계, 및 (c) 접착 재료를 사용하지 않고, LED 어셈블리 및 주요 광학 요소들을 히트 싱크에 대해 고정하는 단계를 포함한다. 일 양태에서, 단계 (c)는 보조 광학 설비를 복수의 광학 유닛에 압축 결합하여, 보조 광학 설비에 의해 가해지는 힘이 LED 어셈블리를 히트 싱크에 대해 고정하도록 하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 조명 장치들 및 조립 방법들에 의해 제공되는 이익들 중 일부는 LED 광원들의 향상된 방열 및 감소된 동작 온도를 포함하는데, 이는 (i) LED 어셈블리의 인쇄 회로 보드("PCB")의 발열 영역에 직접 압축력이 가해져 열 저항을 감소시키며, (ii) 통합 보조 광학 설비로부터의 유지력의 균일한 분포가 인쇄 회로 보드와 히트 싱크 사이에 배치되는 옵션인 열 인터페이스 재료 내에 비교적 높은 압축 부하를 생성하기 때문이다. 또 하나의 이익은 프로세스 단계들 및 구성 부품들의 수의 감소에 의한 조명 기구의 간략화된 서비스 가능성 및 제조성이다. 특히, (i) (열 인터페이스 재료 및 압력 전달 부재가 부착된) PCB가 통합 보조 광학 설비에 의해 적절히 배향되고 고정되어, 파스너들이 단독으로 PCB의 부착을 담당하지 않으며, (ii) 압력 전달 부재들을 PCB에 접착하기 위한 접착제 또는 파스너가 필요하지 않다.
<관련 용어>
본 개시의 목적으로 본 명세서에서 사용될 때, "LED" 및 "LED 광원"이라는 용어는 전기 신호에 응답하여 방사선(radiation)을 생성할 수 있는 임의의 전기 발광 다이오드 또는 다른 타입의 캐리어 주입/접합 기반 시스템을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, LED라는 용어는 전류에 응답하여 광을 방출하는 다양한 반도체 기반 구조, 발광 폴리머, 유기 발광 다이오드(OLED), 전기 발광 스트립 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 특히, LED라는 용어는 적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼 및 가시 스펙트럼의 다양한 부분(일반적으로 약 400 나노미터 내지 약 700 나노미터의 방사선 파장들을 포함함) 중 하나 이상에서 방사선을 생성하도록 구성될 수 있는 모든 타입의 발광 다이오드들(반도체 및 유기 발광 다이오드들을 포함함)을 지칭한다. LED들의 몇 가지 예는 다양한 타입의 적외선 LED, 자외선 LED, 적색 LED, 청색 LED, 녹색 LED, 황색 LED, 황갈색 LED, 오렌지색 LED 및 백색 LED를 포함하지만 이에 한정되지 않는다(아래에 더 설명됨). 또한, LED들은 주어진 스펙트럼에 대한 다양한 대역폭(예를 들어, 반치폭, 즉 FWHM)(예를 들어, 좁은 대역폭, 넓은 대역폭) 및 주어진 일반 칼라 분류 내의 다양한 주요 파장들을 갖는 방사선을 생성하도록 구성 및/또는 제어될 수 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들어, 본질적으로 백색인 광을 생성하도록 구성되는 LED(예를 들어, 백색 LED)의 일 구현은 본질적으로 백색인 광을 형성하도록 함께 혼합되는 상이한 전기 발광 스펙트럼들을 각각 방출하는 다수의 다이를 포함할 수 있다. 다른 구현에서, 백색광 LED는 제1 스펙트럼을 갖는 전기 발광을 상이한 제2 스펙트럼으로 변환하는 형광체 재료와 연관될 수 있다. 이러한 구현의 일례에서, 비교적 짧은 파장 및 좁은 대역폭의 스펙트럼을 갖는 전기 발광은 형광체 재료를 "펌핑"하며, 이어서 형광체 재료는 다소 더 넓은 스펙트럼을 갖는 더 긴 파장의 방사선을 방출한다.
LED라는 용어는 LED의 물리적 및/또는 전기적 패키지 타입을 한정하지 않는다는 것도 이해해야 한다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, LED는 (예를 들어, 개별적으로 제어 가능하거나, 가능하지 않을 수 있는) 상이한 방사선 스펙트럼들을 각각 방출하도록 구성되는 다수의 다이를 구비하는 단일 발광 장치를 지칭할 수 있다. 또한, LED는 LED의 통합 부분으로서 간주되는 형광체와 연관될 수 있다(예를 들어, 백색 LED들의 일부 타입들). 일반적으로, LED라는 용어는 패키징된 LED, 패키징되지 않은 LED, 표면 실장 LED, 칩-온-보드 LED, T 패키지 실장 LED, 방사 패키지 LED, 전력 패키지 LED, 소정 타입의 봉입을 포함하는 LED 및/또는 광학 요소(예를 들어, 확산 렌즈) 등을 지칭할 수 있다.
"스펙트럼"이라는 용어는 하나 이상의 광원에 의해 생성되는 방사선의 어느 하나 이상의 주파수(또는 파장)를 지칭한다는 것을 이해해야 한다. 따라서, "스펙트럼"이라는 용어는 가시 범위의 주파수들(또는 파장들)뿐만 아니라, 전체 전자기 스펙트럼의 적외선, 자외선 및 다른 영역들의 주파수들(또는 파장들)도 지칭한다. 또한, 주어진 스펙트럼은 비교적 좁은 대역폭(예를 들어, 본질적으로 적은 주파수 또는 파장 성분들을 갖는 FWHM) 또는 비교적 넓은 대역폭(다양한 상대 강도를 갖는 여러 주파수 또는 파장 성분들)을 가질 수 있다. 주어진 스펙트럼은 둘 이상의 다른 스펙트럼의 혼합(예를 들어, 다수의 광원으로부터 각각 방출되는 방사선들의 혼합)의 결과일 수 있다는 것도 알아야 한다.
본 개시의 목적으로, "칼라"라는 용어는 "스펙트럼"이라는 용어와 교환 가능하게 사용된다. 그러나, "칼라"라는 용어는 일반적으로 관찰자에 의해 인식될 수 있는 방사선의 특성을 주로 지칭하는 데 사용된다(그러나, 이러한 사용은 이 용어의 범위를 제한하는 것을 의도하지 않는다). 따라서, "상이한 칼라들"이라는 용어는 상이한 파장 성분들 및/또는 대역폭들을 갖는 다수의 스펙트럼을 암시적으로 지칭한다. "칼라"라는 용어는 백색 광 및 백색 아닌 광 양자와 관련하여 사용될 수 있다는 것도 알아야 한다.
본 명세서에서 "칼라 온도"라는 용어는 일반적으로 백색 광과 관련하여 사용되지만, 이러한 사용은 이 용어의 범위를 제한하고자 하는 의도는 없다. 칼라 온도는 본질적으로 백색 광의 특정 칼라 내용 또는 음영(예를 들어, 붉은 빛을 띤, 푸른 빛을 띤)을 지칭한다. 통상적으로, 주어진 방사선 샘플의 칼라 온도는 당해 방사선 샘플과 본질적으로 동일한 스펙트럼을 방사하는 흑체 방사기의 켈빈 단위(K)의 온도에 따라 특성화된다. 일반적으로, 흑체 방사기 칼라 온도들은 약 700K(통상적으로 사람의 눈에 최초로 보이는 것으로 간주됨)에서 10,000K의 범위 내에 있으며, 일반적으로 백색 광은 1500-2000K 정도의 칼라 온도로 인식된다.
일반적으로, 보다 낮은 칼라 온도들은 더 많은 적색 성분 또는 "더 따뜻한 느낌"을 갖는 백색 광을 지시하는 반면, 보다 높은 칼라 온도들을 일반적으로 더 많은 청색 성분 또는 "더 차가운 느낌"을 갖는 백색 광을 지시한다. 예를 들어, 불은 약 1,800K의 칼라 온도를 갖고, 통상의 백열 전등은 약 2848K의 칼라 온도를 가지며, 이른 아침의 일광은 약 3000K의 칼라 온도를 갖고, 흐린 대낮의 하늘은 약 10,000K의 칼라 온도를 갖는다.
"제어기"라는 용어는 본 명세서에서 일반적으로 하나 이상의 광원의 동작과 관련된 다양한 장치를 기술하는 데 사용된다. 제어기는 여기에 설명되는 다양한 기능을 수행하도록 다양한 방식으로(예를 들어, 전용 하드웨어를 이용하는 등) 구현될 수 있다. "프로세서"는 여기에 설명되는 다양한 기능을 수행하도록 소프트웨어(예를 들어, 마이크로코드)를 이용하여 프로그래밍될 수 있는 하나 이상의 마이크로프로세서를 사용하는 제어기의 일례이다. 제어기는 프로세서를 사용하거나 사용하지 않고 구현될 수 있으며, 또한 소정의 기능들을 수행하기 위한 전용 하드웨어와 다른 기능들을 수행하기 위한 프로세서(예를 들어, 하나 이상의 프로그래밍된 마이크로프로세서 및 관련 회로)의 조합으로서 구현될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에서 사용될 수 있는 제어기 컴포넌트들의 예는 통상의 마이크로프로세서, 주문형 집적 회로(ASIC) 및 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
다양한 구현에서, 프로세서 또는 제어기는 하나 이상의 저장 매체(본 명세서에서 일반적으로 "메모리", 예를 들어 RAM, PROM, EPROM 및 EEPROM과 같은 휘발성 및 비휘발성 컴퓨터 메모리, 플로피 디스크, 콤팩트 디스크, 광 디스크, 자기 테이프 등으로 지칭됨)와 연관될 수 있다. 일부 구현들에서, 저장 매체에는, 하나 이상의 프로세서 및/또는 제어기에서 실행될 때, 여기에 설명되는 기능들의 적어도 일부를 수행하는 하나 이상의 프로그램이 인코딩될 수 있다. 다양한 저장 매체는 프로세서 또는 제어기 내에 고정되거나, 운반 가능할 수 있으며, 따라서 그 안에 저장된 하나 이상의 프로그램은 여기에 설명되는 본 발명의 다양한 양태를 구현하기 위해 프로세서 또는 제어기 내에 로딩될 수 있다. "프로그램" 또는 "컴퓨터 프로그램"이라는 용어는 본 명세서에서 하나 이상의 프로세서 또는 제어기를 프로그래밍하는 데 사용될 수 있는 임의 타입의 컴퓨터 코드(예를 들어, 소프트웨어 또는 마이크로코드)를 지칭하기 위해 일반적인 의미로 사용된다.
아래에 더 상세히 설명되는 상기 개념들 및 추가 개념들의 모든 조합은 (그러한 개념들이 서로 모순되지 않는 경우) 여기에 개시되는 본 발명의 일부인 것으로 간주된다는 것을 알아야 한다. 특히, 본 명세서의 끝에 나타나는 청구 발명의 모든 조합은 여기에 개시되는 본 발명의 일부인 것으로 간주된다. 참고 문헌으로 포함된 임의의 개시에 나타날 수도 있는, 본 명세서에서 명시적으로 사용되는 용어들은 여기에 개시되는 특정 개념들과 가장 일치하는 의미에 따라야 한다는 것도 알아야 한다.
<관련 특허 및 특허 출원>
본 발명과 관련된 아래의 특허들 및 특허 출원들, 및 그 안에 포함된 임의의 발명 개념들은 본 명세서에 참고로 포함된다.
ㆍ 2000년 1월 18일자로 허여된 "Multicolored LED Lighting Method and Apparatus"라는 제목의 미국 특허 제6,016,038호;
ㆍ 2001년 4월 3일자로 허여된 "Illumination Components"라는 제목의 미국 특히 제6,211,626호;
ㆍ 2005년 12월 13자로 허여된 "Systems and Methods for Controlling Illumination Sources"라는 제목의 미국 특허 제6,975,079호;
ㆍ 2006년 3월 21일자로 허여된 "Systems and Methods for Generating and Modulating Illumination Conditions"라는 제목의 미국 특허 제7,014,336호;
ㆍ 2006년 5월 2일자로 허여된 "Methods and Apparatus for Providing Power to Lighting Devices"라는 제목의 미국 특허 제7,038,399호;
ㆍ 2007년 8월 14일자로 허여된 "LED Power Control Methods and Apparatus"라는 제목의 미국 특허 제7,256,554호;
ㆍ 2007년 9월 11일자로 허여된 "Directly Viewably Luminaire"라는 제목의 미국 특허 제7,267,461호;
ㆍ 2006년 2월 2일자로 공개된 "LED Package Methods and Systems"라는 제목의 미국 특허 출원 공개 제2006-0022214호;
ㆍ 2007년 5월 24일자로 공개된 "Methods and Apparatus for Generating and Modulating White Light Illumination Conditions"라는 제목의 미국 특허 출원 공개 제2007-0115665호;
ㆍ 2007년 5월 7일자로 출원된 "Power Control Methods and Apparatus"라는 제목의 미국 가출원 제60/916,496호;
ㆍ 2007년 5월 7일자로 출원된 "LED-Based Linear Lighting Fixtures For Surface Illumination"이라는 제목의 미국 특허 가출원 제60/916,511호; 및
ㆍ 2007년 11월 15일자로 출원된 "LED Collimator Having Spline Surfaces And Related Methods"라는 제목의 미국 특허 출원 제11/940,926호.
도면들에서, 동일한 참조 문자들은 일반적으로 상이한 도면들을 통해 동일 부분들을 지칭한다. 또한, 도면들은 반드시 축척으로 그려진 것은 아니며, 대신에 일반적으로 여기에 개시되는 본 발명의 원리들을 설명할 때에는 강조가 주어질 수 있다.
도 1A은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치의 사시도이다.
도 1B는 선형 어레이를 형성하는 도 1A의 2개의 조명 장치의 측면도이다.
도 1C-1E는 벽에 실장된 도 1B의 선형 어레이를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 보조 광학 설비 및 복수의 압력 전달 부재를 포함하는 도 1A의 조명 장치의 일부를 나타내는 분해도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED PCB 상에 배치된 광학 유닛들을 나타내는 상부 사시도이다.
도 4-6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 광학 유닛들의 사시 평면도 및 저면도이다.
도 7은 도 1A의 절단면 라인 7-7을 따라 취한 도 1A의 조명 장치의 단면도이다.
도 8은 도 1A의 절단면 라인 8-8을 따라 취한 조명 장치의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치의 부분 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 통합 보조 광학 설비를 구비하는 선형 조명 장치의 측면도이다.
도 11-15은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 조명 장치들에 전력을 제공하기 위한 전원들의 개략 회로도이다.
본 발명에 따른 LED 기반 조명 설비들 및 조립 방법들과 관련된 다양한 개념들 및 그들의 실시예들에 대한 보다 상세한 설명이 아래에 이어진다. 전술하였고 후술하는 바와 같이, 본 발명은 임의의 특정 구현 방식으로 한정되지 않으므로, 본 실시예들의 다양한 양태들은 임의의 다양한 방식으로 구현될 수 있다는 것을 알아야 한다. 특정 구현들의 예는 단지 예시의 목적으로 제공된다.
본 발명의 다양한 실시예는 일반적으로 LED 기반 조명 장치들 및 조립 방법들에 관한 것으로서, 조명 장치의 적어도 일부 컴포넌트들은 각각의 컴포넌트들 사이의 기계적 및/또는 열적 결합이 하나의 컴포넌트에서 다른 컴포넌트로의 힘의 적용 및 전달에 적어도 부분적으로 기초하여 달성되도록 서로에 대해 배치되고 구성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 다수의 LED("LED 어셈블리")를 포함하는 인쇄 회로 보드가 하우징의 일부를 형성하는 히트 싱크와 열 전달하도록 배치된다. 압력 전달 부재 내에 배치되는 주요 광학 요소가 각각의 LED 위에 배치되고 그와 광학적으로 정렬된다. 하우징의 다른 부분을 형성하는 (다수의 LED에 공통인) 공유되는 보조 광학 설비가 압력 전달 부재들 위에 배치되고 그들에 압축 결합된다. 보조 광학 설비에 의해 가해지는 힘은 LED 어셈블리를 히트 싱크에 대해 가압하도록 압력 전달 부재들을 통해 전달되며, 따라서 열 전달이 용이해진다. 일 양태에서, LED 어셈블리는 접착제의 필요 없이 하우징 내에 고정된다. 다른 양태에서, 보조 광학 설비는 어떠한 주요 광학 요소에도 직접 압력을 가하지 않는 대신에, 각각의 주요 광학 요소를 밀봉하는 압력 전달 부재들에 압력을 가하며, 따라서 광학 오정렬을 줄인다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치(100)를 나타낸다. 조명 장치는 조명 시스템(예를 들어, 후술하는 바와 같이, 하나 이상의 LED를 포함하는 광원 및 관련 광학계)을 지지하고 밀봉하기 위한 상부(120) 및 전자 장치 칸막이(110)를 포함하는 하부(108)를 포함하는 하우징(105)을 포함한다. 전자 장치 칸막이는, 도 11-15와 관련하여 후술하는 바와 같이, 조명 장치에 전력을 공급하고 조명 장치에 의해 방출되는 광을 제어하기 위한 전원 및 제어 회로를 하우징한다.
하우징은 사출 성형 또는 다이 캐스팅된 알루미늄과 같은 러기드(rugged) 열전도 재료로 제조된다. 도 1A를 참조하면, 일부 구현들에서, 상부(120) 및 하부(108)는 알루미늄으로 사출 성형된 단일의 연속 부품이다. 대안 구현들에서, 상부 및 하부는 개별적으로 제조된 후에 이 분야에 공지된 임의의 방법에 의해, 예를 들어 파스너들에 의해 함께 연결되는 상이한 구성 부품들이다.
바람직하게는, 하우징은 하부(108)의 전자 부품 칸막이의 에지와 상부의 에지(122) 사이에 오프셋(109)을 형성하도록 제조된다. 오프셋은 상호접속하는 전력-데이터 케이블들을 위한 공간을 제공하여, 조명 장치의 발광 부분들이 서로에 대해 인접하는 것을 허가함으로써, 인접하는 조명 장치들 사이의 인접 영역에서 우수한 광 균일도 및 혼합을 제공한다. 따라서, 도 1B에 도시된 바와 같이, 관찰자가 광 방출에서의 어떠한 갭도 인식하지 못하는 조명 기구들의 연속 선형 어레이들이 배열될 수 있다.
전자 장치 칸막이(110)는 조명 장치의 동작 동안 전원 및 제어 회로에 의해 생성되는 열을 방출하기 위한 특징들을 포함한다. 예를 들어, 이러한 특징들은 도 1A에 도시된 바와 같이 전자 장치 칸막이의 대향 측부들 각각으로부터 연장하는 돌기부들/돌출부들(114)을 포함한다.
도 1A-1B에 또한 도시된 바와 같이, 전자 장치 칸막이는 입구 및 출구 단부 캡들(116)을 포함하며, 이들은 다이 캐스트 알루미늄으로 제조되고, 조명 장치를 소스 전원에 접속하고, 옵션으로서 다른 조명 장치들에 대한 하나 이상의 데이터 라인을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 소정 응용들에서, 표준 라인 전압이 접합 박스로 전달되며, 접합 박스는 리더 케이블에 의해 제1 조명 장치에 접속된다. 따라서, 제1 조명 장치는 리더 케이블에 접속되도록 구성되는 단부 캡을 구비한다. 제1 조명 장치의 대향 단부 캡은 설비 대 설비 상호접속 케이블(144)을 통해 인접 조명 장치에 접속되도록 구성된다. 이러한 방식으로, 조명 장치들의 열을 접속하여, 소정 길이의 선형 조명 장치를 형성할 수 있다. 소스 전원 및/또는 데이터 라인(들)으로부터 가장 먼 조명 장치들의 열 내의 최종 단부 캡은 액세서리 단부 캡인데, 이는 최종 유닛으로부터 전력도 데이터도 전송될 필요가 없기 때문이다. 상부(120)(명세서를 통해 "히트 싱크"로도 참조됨)는 또한 조명 장치(100)의 동작 동안 조명 시스템에 의해 생성되는 열을 방출하기 위한 방열 특징들을 갖는다. 방열 특징들은 히트 싱크(120)의 대향 측부들로부터 연장하는 돌기부들(124)을 포함한다. 도 2-8을 참조하여 후술하는 바와 같이, 발광 컴포넌트들 및 광학 설비들을 포함하는 조명 시스템은 히트 싱크(120)의 표면(126)에 배치된다.
통합 보조 광학 설비(130)가 히트 싱크에 접속되어, (도 1A에서 점선들로 도시되고 아래에 더 상세히 설명되는) 복수의 광학 유닛(140)을 밀봉한다. 통합 보조 광학 설비는 상부 벽(132), 한 쌍의 대향하는 오버몰딩된 단부 벽들(134) 및 한 쌍의 대향하는 측벽들(136)을 포함한다. 상부 벽(132)의 적어도 일부는 투명하고, 조명 시스템의 광원들에 의해 생성되는 광을 전달하기 위한 렌즈를 정의한다. 다양한 구현들에서, 통합 보조 광학 설비는 향상된 충격 저항 및 내후성을 위해 폴리카보네이트와 같은 플라스틱으로 제조된 단일 구조이다.
일 구현에서, 오버몰딩된 단부 벽들(134)은 편평하고, 히트 싱크(120)의 에지들(122)과 동일 평면을 이룬다. 이러한 구성은 다른 조명 장치(100)가 에지들(122)에 인접하는 것을 가능하게 하여, 인접 단부 벽들 사이에 갭이 거의 없거나 전혀 없는 선형 어레이를 형성한다. 예를 들어, 도 1B를 참조하면, 제1 조명 장치의 제1 대향 오버몰딩 단부 캡과 제2 조명 장치의 제2 대향 오버몰딩 단부 캡 사이의 거리(142)는 약 0.5mm이다. 단일 조명 장치는 대향 에지들(122) 사이에서 측정될 때 예를 들어 1 피트 또는 4 피트의 길이일 수 있다. 적절한 수의 개별 장치들을 전술한 방식으로 조립함으로써 소정 길이의 다중 유닛 선형 조명 어레이가 형성될 수 있다. 조명 장치는 도 1C-1E에 도시된 바와 같이 하부(108)에 부착되는 클램프들과 같은 실장 장치들에 의해 벽 또는 천장에 실장될 수 있다.
도 1C-1E를 참조하면, 벽 그레이징 응용들에서, 개별 설비들(100) 및/또는 상호접속된 설비들의 선형 어레이는 커넥터들(148)에 부착된 캔티레버 마운트들(146)을 이용하여, 조명되는 표면에, 예를 들어 표면으로부터 약 4-10인치의 거리에 근접 설치된다. 일부 구현들에서, 커넥터들(148)은 개별 설비들을 기계적으로, 전기적으로 상호접속하는 데에도 이용될 수 있다. 도 1D를 참조하면, 조명되는 건축물 표면에 대한 설비의 보다 양호한 정렬 및 배치는 물론, 설비의 프로파일을 최소화하기 위해, 커넥터들(148)은 전원 섹션들(108)에 대해 회전 가능하며, 특히 전기 배선 컴포넌트들(예를 들어, 도 1B에 도시된 상호접속 케이블(144)) 주위에서 회전 가능하다. 도 1E를 참조하면, 단부-유닛 실장 커넥터(150)가 어레이 내의 최종 조명 장치에 회전 가능하게 접속된다. 존재할 경우, 적어도 부분적으로 최소의 유닛간 갭으로 인해, 선형 조명 어레이는 관찰자가 광 방출에서 실질적으로 어떠한 불연속도 인식하지 못하게 하는, 어레이의 전체 길이에 걸치는 우수한 광 균일도를 제공한다. 또한, 선형 조명 어레이의 다중 칸막이 구성은 히트 싱크(120) 및 통합 보조 광학 설비(130)의 상이한 열 팽창 계수들의 영향들을 완화한다. 즉, 어레이의 각각의 조명 장치에서 히트 싱크(120)에 대한 통합 보조 광학 설비(130)의 팽창은 구성 조명 장치들의 개별 보조 광학 설비들 사이의 접합들에서 적어도 부분적으로 수용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1A에 도시된 조명 장치(100)의 일부를 구성하는 조명 시스템(106)의 분해 사시도를 나타낸다. 조명 시스템(106)은 히트 싱크(120)의 표면(126)에 배치된다. 일 실시예에서, 열 인터페이스 층(160)이 표면(126)에 부착된다. 조립을 위해 필요하지는 않지만, 일부 구현들에서, 제조 프로세스는 옵션으로서, 인터페이스 층(160)을 예를 들어 접착제 박막에 의해 표면(126)에 부착함으로써 용이해질 수 있다. 열 인터페이스 층은 히트 싱크(120)로의 열 전달을 용이하게 한다. 많은 구현들에서, 열 인터페이스 층은 약 0.01 인치 두께의 흑연 박막이다. 종래의 실리콘 수지 갭 패드들과 달리, 흑연 재료는 시간이 지나도 인터페이스 층으로부터 떨어지지 않아서, 조명 장치의 광학 컴포넌트들이 흐려지는 것을 방지한다. 또한, 흑연 재료는 그의 열 전도율을 계속 유지하는 반면, 종래의 합성 재료 갭 패드들은 이러한 면에서 시간이 지남에 따라 열화된다.
도 2를 계속 참조하면, 예를 들어 선형으로 배열된 복수의 LED 광원(168)을 상부에 구비하는 인쇄 회로 보드(PCB)(164)가 열 인터페이스 층(160) 상에 배치된다. 백색 또는 칼라 광을 높은 강도로 방출하기 위한 적절한 LED들은 노스캐롤라이나, 더럼의 Cree사 또는 캘리포니아, 산호세의 Philips Lumileds로부터 입수될 수 있다. 일 구현에서, PCB(164)는 1 피트의 길이를 가지며, Cree로부터의 12개의 XR-E 7090 LED 광원(168)을 포함하는데, 이들 각각은 2700 켈빈 또는 4000 켈빈의 칼라 온도를 갖는 백색 광을 방출한다. 본 발명의 다양한 구현들에서, LED PCB는 인터페이스 층 및 히트 싱크에 직접 부착되거나 고정되지 않는 대신에, 후술하는 바와 같이, 통합 보조 광학 설비(130)의 압축 작용에 의해 적소에 유지되고 소정의 배향으로 고정된다.
LED PCB(164) 내의 바텀-피드(bottom-feed) 커넥터(169)를 통해 전자 장치 칸막이(110)로부터 연장하는 헤더 핀들(도시되지 않음)을 통해 전자 장치 칸막이(110)(도 1A 참조) 내의 전원 및 제어 회로에서 LED PCB(164)로의 전기적 접속들이 이루어진다. 일부 실시예들에서, 전원 및 제어 회로는, AC 라인 전압을 수신하고, DC 출력 전압을 제공하여, 하나 이상의 LED는 물론, LED들과 연관될 수 있는 다른 회로에 전력을 공급하는 전원 구성에 기초한다. 다양한 양태들에서, 적절한 전원들은 스위칭 전원 구성에 기초할 수 있으며, 특히 비교적 높은 전력 팩터로 보정되는 전원을 제공하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서는, 단일 스위칭 단계를 이용하여, 높은 전력 팩터에 의한 부하로의 전력 공급을 달성할 수 있다. 본 발명에 적어도 부분적으로 관련되거나 적합한 전원 구조들 및 개념들의 다양한 예가 예를 들어 2005년 3월 14일자로 "LED Power Control Methods and Apparatus"라는 제목으로 출원된 미국 특허 출원 번호 11/079,904, 2005년 9월 12일자로 "Power Control Methods and Apparatus for Variable Loads"라는 제목으로 출원된 미국 특허 출원 번호 11/225,377, 및 2006년 5월 8일자로 "Power Control Methods and Apparatus"라는 제목으로 출원된 미국 특허 출원 번호 11/429,715에서 제공되며, 이들 모두는 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된다. 여기에 설명되는 조명 장치들에 특히 적합한 전원 구조들의 추가 예에 대한 회로도들이 도 11-15에 제공된다.
전력 및 제어 컴포넌트들을 갖는 LED 광원들의 구성을 포함하는 LED 기반 조명 유닛들의 일반적인 몇 가지 예는 예를 들어 Mueller 등에게 2000년 1월 18일자로 허여된 "Multicolored LED Lighting Method and Apparatus"라는 제목의 미국 특허 제6,016,038호 및 Lys 등에게 2001년 4월 3일자로 허여된 "Illumination Components"라는 제목의 미국 특허 제6,211,626호에서 발견할 수 있는데, 이들 양 특허는 본 명세서에 참고 문헌으로서 포함된다. 또한, 본 발명의 조명 기구들과 함께 사용하기에 적합한, LED 설비 내의 전력 및 데이터 관리를 처리하고 통합하는 디지털 전력의 일반적인 몇 가지 예는 예를 들어 미국 특허 제7,256,554호 및 미국 가출원 제60/916,496호에서 발견될 수 있으며, 이들 모두는 위의 "관련 특허 및 특허 출원" 섹션에서 지시되는 바와 같이 본 명세서에 참고 문헌으로서 포함된다.
도 3을 참조하고, 도 2를 계속 참조하면, 조명 시스템(106)은 LED PCB(164)를 따라 예를 들어 선형으로 배열된 복수의 광학 유닛(140)을 더 포함한다. 광학 유닛들은 도 4-8을 참조하여 아래에 더 상세히 설명된다. 일반적으로, 하나의 광학 유닛은 각각의 LED 광원(168) 위에 중심을 가지며, 통합 보조 광학 설비(130)의 상부 벽(132)의 투명 부분 또는 렌즈를 향해 광을 전달하도록 배향된다. 각각의 광학 유닛은 주요 광학 요소(170), 및 주요 광학 요소에 대한 홀더로서 사용되는 압력 전달 부재(174)를 포함한다. 압력 전달 부재는 개구(176)를 정의하는 지지 구조/벽(175)을 포함하며, 성형된 플라스틱과 같은 불투명한 러기드 재료로 제조된다. 많은 구현들에서, 주요 광학 요소는 대응 LED 광원(168)에 의해 방출되는 광의 방향을 제어하거나 광을 시준하도록 구성되는 내부 전반사("TIR") 시준기이다. 여기에 설명되는 주요 광학 요소들로서 적합한 시준기들의 몇몇 예는 참고 문헌으로서 포함된, 함께 계류중인 미국 특허 출원 번호 11/940,926에 개시되어 있다.
일부 실시예들에서, 본 발명은 높은 효율을 유지하면서 혼합 거리를 증가시키고 조명 균일도를 향상시키기 위해 홀로그래픽 확산막의 사용을 고려한다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 광 확산 층(178)이 통합 보조 광학 설비(130)의 상부 벽(132)의 내면에 근접 배치된다. 광 확산 층은 약 0.01 인치 두께의 폴리카보네이트 막(또는 Luminit LLC, http://luminitco.com으로부터 입수 가능한 다른 적절한 막 또는 "광 정형 확산기들")일 수 있으며, 상부 벽에 근접하는 측면 상에서 더 텍스처화될 수 있다. 보조 확산 층을 통해 조명 균일도를 향상시키는 데 적합한 다른 접근법이 본 명세서에 참고 문헌으로 포함되는, "Directly Viewably Luminaire"라는 제목으로 2007년 9월 11일자로 허여된 미국 특허 제7,267,461호에 개시되어 있다.
이제, 도 4-6을 참조하면, 광학 유닛(140)의 압력 전달 부재(174)는 LED PCB(164)로부터 통합 보조 광학 설비(130)의 상부 벽(132)을 향하는 방향으로 대체로 연장하는 지지 구조 또는 벽(175)을 구비한다. 주요 광학 요소(170)는 압력 전달 부재(174)의 개구(176) 내에 배치되며, 예를 들어 스냅 피트(snap fit)에 의해 유지된다. 압력 전달 부재는 (i) 개구(176) 내에 주요 광학 요소(170)를 지지하기 위한 복수의 내부 리브(rib)(184), 및 (ii) 압력 전달 부재의 상부 림(rim) 상에 배치되는 한 쌍의 컴플라이언트 부재들(186)을 더 포함한다. 컴플라이언트 부재들은 설정된 압축에 대한 그의 압축 복구 및 저항을 위해 선택된 컴플라이언트 재료로 제조된다. 이것은 장기간의 열 사이클링(즉, 조명 장치의 턴온 및 턴오프)에 걸쳐 안정된 힘들이 지지 구조(175)에 가해지는 것을 가능하게 한다. 다양한 구현들에서, 컴플라이언트 부재는 열가소성 탄성 중합체이며, 용융된 상태의 컴플라이언트 재료를 지지 구조(175) 내의 작은 개구 내로 주입함으로써 제조된다.
도 8을 참조하여 더 상세히 설명되는 바와 같이, 컴플라이언트 부재는 압력 전달 부재(174)에 의해 압축 결합되는 광학 유닛(140)과 통합 보조 광학 설비(130)의 접합부에서의 공차 누적 문제들을 해결하는 데 유용하다. 즉, 표면(126) 상에 적층되는 컴포넌트들의 각각의 제조 동안의 치수 공차들로 인해, 통합 보조 광학 설비(130)에 대한 각각의 광학 유닛의 구성이 LED PCB 양단에서 약간 다를 수 있다. 컴플라이언트 부재는 이러한 차이들을 보정하고, 통합 보조 광학 설비에 의해 가해지는 압축들의 가능한 범위에 걸쳐 LED PCB에 거의 동일한 양의 힘이 가해지게 하도록 설계된다. 따라서, 본 발명에 따른 조명 장치는 향상된 구조 보전성을 가지며, 동작 조건들의 더 큰 일관성 및 향상된 예측성을 제공한다. 일부 구현들에서, 컴플라이언트 부재는 압력 전달 부재에 부착되는 것이 아니라, 전술한 기능들을 달성하기 위해 압력 전달 부재와 접촉하도록 구성된다.
도 6을 참조하면, 압력 전달 부재(174)는 컴플라이언트 부재들(186)에 대향하는 단부에 배치되는 압력 전달 표면(190) 및 대향 정렬 리브들(194)을 더 포함한다. 압력 전달 표면(190)은 지지 구조(175)에 인접하며, 대체로 그에 수직이다. 압력 전달 표면은 LED 광원(168)에 근접하게 LED PCB(164) 상에 배치되도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 대향 정렬 리브들은 압력 전달 표면의 일부이며, 대향 정렬 리브들은 압력 전달 표면과 대체로 동일 평면을 이루고, 압력 전달 표면(190)과 유사한 방식으로 압력을 가하도록 기능하며, 다른 실시예들에서 대향 정렬 리브들은 압력 전달 표면(190)과 동일 평면을 이루지 않으며, LED PCB 상에 압력을 가하지 않는다. 후자의 실시예들에서, 대향 정렬 리브들은 주요 광학 요소(170)와 연동하고, 주요 광학 요소를 LED 광원에 대해 적절히 배향하도록 구성된다. 압력 전달 표면(190)은 LED 광원과 연동하고, 압력 전달 부재(174)를 LED 광원에 대해 적절히 배향하도록 구성된다. 통합 보조 광학 설비는 컴플라이언트 부재들(186)에서 압력 전달 부재와 접촉한다.
이제, 도 7을 참조하면, 도 1A의 절단면 라인 7-7을 따라 취한 조명 장치(100)의 단면도가 도시되어 있다. 이 단면도는 인접 광학 유닛들(140) 사이의 영역에서 취해진 것이다. 통합 보조 광학 설비(130)는 광학 유닛들이 내부에 배치되는 개구(200)를 정의하며, 대향 측벽들(136)을 더 정의한다. 대향 측벽들은 상부 벽(132)에 인접한다. 오버몰딩된 단부 벽들(134)(도 1A 참조)은 대향 측벽들에 인접한다. 따라서, 통합 보조 광학 설비는 하나의 플라스틱 재료를 사출 성형함으로써 제조될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 통합 보조 광학 설비는 투명 상부 벽에서만 투명하고, 대향 측벽들 및 단부 벽들은 불투명하다. 본 발명의 많은 실시예에서, 통합 보조 광학 설비는 나사, 클립 및/또는 다른 기계적 파스너와 같은 비접착성 커넥터들에 의해 히트 싱크에 접속된다. 예를 들어, 통합 보조 광학 설비는 도 7에 도시된 바와 같이 통합 보조 광학 설비의 길이를 따라 배치된 나사들(204) 및 너트들(208)의 쌍들에 의해 히트 싱크(120)에 접속될 수 있다. 따라서, 여기에 개시되는 조명 장치는 두께 제어가 어려워서 바람직하지 않은 열 전달 특성을 가질 수 있는 접착층들을 필요로 하지 않는다. 본 발명에 따른 조명 장치는 또한 쉽게 분해될 수 있어서, 수리 또는 교체를 위해 개별 컴포넌트들에 대한 접근을 가능하게 하며, 따라서 낭비를 줄이고 더욱 환경 친화적인 설비를 실현한다.
도 7을 계속 참조하면, 조명 장치는 통합 보조 광학 설비의 주변을 따르는 얕은 그루브 내에 배치되는 성형된 개스킷(212)을 더 포함한다. 그루브는 히트 싱크의 표면(126)에 인접하는 표면에서 측벽들 및 단부 벽들의 각각을 통해 연장한다. 나사들(204)이 조여질 때, 통합 보조 광학 설비는 LED PCB(164)의 방향으로 하향 힘을 가한다. 렌즈는 조립시에 적절한 개스킷 압축에 이르는 특징들을 포함하며, 따라서 밀봉을 제공하고 과잉 압축을 방지하도록 개스킷을 히트 싱크에 대해 압축한다. 다양한 실시예에서, 통합 보조 광학 설비는 최적 열 저항을 위해 선택된 최소 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 최소 두께(t)는 약 3mm이다. 도 7에 더 도시된 바와 같이, 광 확산 층(178)은 통합 보조 광학 설비의 상부 벽의 내면(214)에 배치된다.
이제, 도 8을 참조하면, 압력 전달 부재(174) 및 주요 광학 요소(170)를 통과하는 도 1A의 절단면 라인 8-8을 따라 취한 조명 장치(100)의 단면도가 도시되어 있다. 일반적으로, 대향 측벽들(136)은 통합 보조 광학 설비(130)에 의해 압력 전달 부재(174) 상에 가해지는 힘을 생성하기 위해 히트 싱크에 접속된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 그리고 도 7을 계속 참조하면, LED PCB(164) 및 열 인터페이스 층(160)은 나사들(204) 및 너트들(208)의 작용을 통해 통합 보조 광학 설비에 의해 가해지는 힘에 의해 히트 싱크에 대해 유지되는데, 이 힘은 컴플라이언트 부재들(186) 및 압력 전달 부재(174)를 통해 전달된다. 즉, 통합 보조 광학 설비는 압력 전달 부재에 압축 결합되며, 따라서 통합 보조 광학 설비에 의해 가해지는 힘은 압력 전달 부재를 통해 압력 전달 표면(190)으로 전달되어, LED PCB 및 인터페이스 층을 히트 싱크의 표면(126)을 향해 가압한다. 이러한 구성은 조명 장치의 동작 동안에 LED PCB에서 히트 싱크로의 향상된 열 전달을 제공하여, 조명 장치의 동작 수명을 연장하고 효율을 향상시킨다.
도 8에 더 도시된 바와 같이, 통합 보조 광학 설비(130)는 컴플라이언트 부재(186) 위를 아래로 누르도록 구성될 수 있으며, 이 컴플라이언트 부재는 압축될 수 있는 것은 물론, (광학계 홀더로서도 사용되는) 압력 전달 부재(174)에 부하를 전달할 수도 있다. 따라서, 유사한 컴포넌트들 사이의 치수 차이들은 컴플라이언트 부재들에서 흡수된다. 그러나, 많은 실시예에서, 통합 보조 광학 설비는 주요 광학 요소(170)에 압축 결합되지 않는다. 즉, 통합 보조 광학 설비는 광학 요소 위를 누르지 않는다. 이러한 구성은 컴플라이언트 부재들의 컴플라이언스와 결합하여 광학 요소들의 경사 또는 변위의 양을 줄이며, 따라서 조명 장치의 동작 동안에 조명 장치에 의해 방출되는 광의 제어 및 광의 방향의 일관성을 향상시킨다.
다양한 실시예에서 그리고 도 8에 더 도시된 바와 같이, 주요 광학 요소(170)는 압력 전달 부재의 지지 구조(175)의 선반(ledge)/지지 표면(222) 상에 놓임으로써 압력 전달 부재(174)에 의해 정의되는 개구(176) 내에 걸쳐진다. 광학 요소는 지지 구조에 의해 스냅 피트(도시되지 않음)에 의해 유지될 수 있다. 도 8에는 주요 광학 요소(170)의 주변을 따라 외측 수직 표면(225)에 대향하는 지지 구조에 의해 정의되는 측벽(224)이 더 도시되어 있다. 압력 전달 부재는 불투명하므로, 이러한 구성은 조명 장치의 동작 중에 표면(225)을 통해 출사되는 광을 차단한다.
일부 실시예들에서, 그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 상부 벽(132)의 내면(214)은 상부 벽(132)에 인접할 수 있는 복수의 접속 핀(226)을 더 포함한다. 통합 보조 광학 설비(130)와 광 확산 층(178)의 조립 동안에, 접속 핀들은 초기에 광 확산 층 내의 구멍들(228) 내에 삽입되도록 구성된다. 초기에, 접속 핀들은 광 확산 층 내의 구멍들을 통해 삽입되도록 정형된다. 따라서, 초기에 이들은 직선이고, 광 확산 층의 내면(230)을 약간 지나 연장하도록 충분히 길다. 예를 들어, 접속 핀들은 내면(230)을 지나 약 2mm 연장할 수 있다. 이어서, 접속 핀들의 연장 단부들은 어쿠스틱 호른 또는 진동을 이용한 가열 등에 의해 영구 변형되며, 따라서 접속 핀 내에 유지 헤드(232)가 형성된다. 유지 헤드들(232) 및 컴플라이언트 부재들(186)은 함께 광 확산 층을 통합 보조 광학 설비에 대해 유지한다.
많은 구현들 및 실시예들에서, 그리고 도 8에 더 도시된 바와 같이, 압력 전달 부재(174)의 압력 전달 표면(190)은 LED 광원(168)까지 연장하여, 압력 전달 표면과 LED 광원 사이의 최단 거리(d)를 정의하는데, 이는 대략 2mm보다 작다. 일부 실시예들에서, 최단 거리는 약 1mm이다. 압력 전달 표면은 LED 광원에 근접함으로써, 조명 장치의 동작 동안에 컴포넌트들이 가열되고 팽창/수축하는 경향이 있을 때, LED PCB(164), 열 인터페이스 층(160) 및 표면(126) 사이에 갭이 존재하지 않거나 갭이 생성되지 않는 것을 보장한다. 이러한 방식으로, LED 광원에서 히트 싱크(120)로의 우수한 열 전달이 제공되며, 이 열은 결국에 돌기부들(124)에서 방출된다.
이제, 도 9를 참조하면, 그리고 전술한 바와 같이, 통합 보조 광학 설비(130)는 광학 유닛들(140) 위에 배치되어, LED PCB(164)를 히트 싱크(120)에 대해 소정의 방향으로 고정한다. 도 9에 더 도시된 바와 같이, 다양한 구현들에서, 개스킷(212)이 LED PCB(164)와 나사들(204) 사이에 배치되어, 조명 시스템을 주위로부터 밀봉한다. 일부 구현들에서, 벽들(136)의 내면은 압력 전달 부재들을 수납하고 아늑하게 수용하도록 구성된다.
이제, 도 10을 참조하면, 본 발명의 일부 구현들에서, 선형 조명 장치(300)는 상부(305)의 표면(326)에 배치되는 다수의 통합 보조 광학 설비(330) 아래에 배치되는 하부(308)를 구비한다. 즉, 장치의 사출 성형된 알루미늄 부분은 하나의 연속적인 부품인 반면, 통합 보조 광학 설비들의 각각은 대응 LED PCB 상에 위치하는 개별 구조이다.
전술한 바와 같이, 전자 장치 칸막이(110) 내에 하우징되는 전원/제어 회로는, AC 라인 전압을 수신하고, DC 출력 전압을 제공하여, 하나 이상의 LED는 물론, LED들과 연관될 수 있는 다른 회로에 전력을 공급하는 전원 구성에 기초한다. 본 발명에 따른 조명 장치의 다양한 구현들은 15W/피트의 전력을 소비하면서 450-550 루멘/피트의 광 출력을 생성할 수 있다. 따라서, 장치가 4개의 1피트 LED PCB(164)를 포함하는 경우, 전체 광 출력은 1800 내지 2200 루멘의 범위일 수 있다.
전원/제어 회로와 관련하여, 다양한 실시예에서는, LED 광원들과 연관된 어떠한 피드백 정보도 필요로 하지 않고, LED 광원들(168)에 전력을 공급할 수 있다. 본 개시의 목적을 위해, "부하와 관련된 피드백 정보"라는 문구는 부하의 정상 동작 동안에(즉, 부하가 그의 의도된 기능을 수행하는 동안에) 얻어지는 부하에 관한 정보(예를 들어, LED 광원들의 부하 전압 및/또는 부하 전류)를 지칭하며, 이러한 정보는 부하에 전력을 공급하는 전원으로 피드백되어, 전원의 안정된 동작(예를 들어, 조절된 출력 전압의 제공)을 돕는다. 따라서, "부하와 관련된 어떠한 피드백 정보도 필요로 하지 않고"라는 문구는 부하에 전력을 공급하는 전원이 그 자신 및 부하의 정상 동작을 유지하기 위하여(즉, 부하가 그의 의도된 기능을 수행할 때) 어떠한 피드백 정보도 필요로 하지 않는 구현들을 지칭한다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 전력 팩터, 단일 스위칭 단계의 전원(500)의 일례를 나타내는 개략 회로도이며, 전원은 전자 장치 칸막이(110) 내에 하우징될 수 있으며, LED 광원들(168)에 전력을 공급할 수 있다. 전원(500)은 ST 마이크로일렉트로닉스로부터 입수 가능한 ST6561 또는 ST6562 스위치 제어기에 의해 구현되는 스위치 제어기(360)를 이용하는 플라이백(flyback) 변환기 배열에 기초한다. AC 입력 전압(67)이 개략도의 먼 좌측에 도시된 단자들(J1, J2)(또는 J3, J4)에서 전원(500)에 인가되며, DC 출력 전압(32)(또는 전원 전압)이 5개의 LED 광원을 포함하는 부하(168)에 인가된다. 일 양태에서, 출력 전압(32)은 전원(500)에 인가되는 AC 입력 전압(67)과 관계없이 가변적이지 않은데, 즉, 주어진 AC 입력 전압(67)에 대해, 부하(168)에 인가되는 출력 전압(32)은 본질적으로 실질적으로 안정적이고 일정하게 유지된다. 설명의 목적으로 특정 부하가 주로 제공되며, 본 발명은 이와 관련하여 한정되지 않음을 알아야 하는데, 예를 들어 본 발명의 다른 실시예들에서, 부하는 임의의 다양한 직렬, 병렬 또는 직렬/병렬 배열로 상호접속되는 동일 또는 다른 수의 LED들을 포함할 수 있다. 또한, 아래의 표 1에서 지시되는 바와 같이, 전원(500)은 다양한 회로 컴포넌트(오옴 단위의 저항기 값들)의 적절한 선택에 기초하여 다양한 상이한 입력 전압을 위해 구성될 수 있다.
Figure 112009075135666-PCT00001
도 11에 도시된 실시예의 일 양태에서, 제어기(360)는 고정 오프 시간(FOT) 제어 기술을 이용하여 스위치(20)(Q1)를 제어하도록 구성된다. FOT 제어 기술은 플라이백 구성에 대해 상대적으로 더 작은 변압기(72)를 사용하는 것을 가능하게 한다. 이것은 변압기가 더 일정한 주파수로 동작하는 것을 가능하게 하며, 이는 또한 주어진 코어 크기에 대해 부하에 더 높은 전력을 전달한다.
다른 양태에서, L6561 또는 L6562 스위치 제어기들을 사용하는 통상의 스위칭 전원 구성들과 달리, 도 11의 스위칭 전원(500)은 스위치(20)(Q1)의 제어를 용이하게 하기 위해 부하와 연관된 어떠한 피드백 정보도 필요로 하지 않는다. STL6561 또는 STL6562 스위치 제어기들을 포함하는 통상의 구현들에서, 이러한 제어기들의 INV 입력(핀 1)(제어기의 내부 에러 증폭기의 반전 입력)은 통상적으로 부하와 연관된 피드백을 스위치 제어기에 제공하기 위해 (예를 들어, 외부 저항기 분할기 네트워크 및/또는 광 분리기 회로를 통해) 출력 전압의 양의 전위를 나타내는 신호에 결합된다. 제어기의 내부 에러 증폭기는 피드백된 출력 전압의 일부와 내부 기준을 비교하여 본질적으로 일정한(즉, 조절된) 출력 전압을 유지한다.
이러한 통상의 배열들과 달리, 도 11의 회로에서, 스위치 제어기(360)의 INV 입력은 저항기 R11을 통해 접지 전위에 결합되며, 어떠한 방식으로도 부하로부터 피드백을 도출하지 않는다(예를 들어, 출력 전압(32)이 광 생성 부하(168)에 인가될 때, 제어기(360)와 출력 전압(32)의 양의 전위 사이에는 전기적 접속이 존재하지 않는다). 보다 일반적으로, 여기에 개시되는 다양한 본 발명의 실시예에서, 스위치(20)(Q1)는 부하 양단의 출력 전압(32) 또는 부하가 출력 전압(32)에 전기적으로 접속될 때에 부하에 의해 인출되는 전류의 모니터링 없이 제어될 수 있다. 마찬가지로, 스위치(Q1)는 부하 양단의 출력 전압(32) 또는 부하에 의해 인출되는 전류의 조절 없이 제어될 수 있다. 또한, 이것은 도 11의 개략도에서 쉽게 관찰될 수 있는데, 이는 (부하(100)의 LED(D5)의 애노드에 인가되는) 출력 전압(32)의 양의 전위가 변압기(72)의 1차 측 상의 어떠한 컴포넌트에도 전기적으로 접속되거나 피드백되지 않기 때문이다.
피드백에 대한 요구를 없앰으로써, 스위칭 전원을 이용하는 본 발명에 따른 다양한 조명 설비들은 감소된 크기/비용에서 더 적은 컴포넌트들로 구현될 수 있다. 또한, 도 11에 도시된 회로 배열에 의해 제공되는 높은 전력 팩터 정정으로 인해, 조명 설비는 인가되는 입력 전압(67)에 대해 본질적으로 저항성인 요소로서 나타난다.
일부 예시적인 구현들에서, 전원(500)을 포함하는 조명 장치가 AC 디머에 결합될 수 있으며, 전원에 인가되는 AC 전압은 AC 디머의 출력으로부터 도출된다(이 디머는 또한 AC 라인 전압(67)을 입력으로서 수신한다). 다양한 양태들에서, AC 디머에 의해 제공되는 전압은 예를 들어 전압 진폭이 제어되거나 듀티 사이클(위상)이 제어되는 AC 전압일 수 있다. 하나의 예시적인 구현에서, AC 디머를 통해 전원(500)에 인가되는 AC 전압의 RMS 값을 변화시킴으로써, 부하로의 출력 전압(32)이 마찬가지로 변경될 수 있다. 따라서, 이러한 방식으로, AC 디머를 이용하여 부하(168)에 의해 생성되는 광의 휘도를 변화시킬 수 있다.
도 12는 높은 전력 팩터의 단일 스위칭 단계 전원(500A)의 일례를 나타내는 개략 회로도이다. 전원(500A)은 도 11에 도시된 것과 여러 면에서 유사하지만, 도 12의 전원은 플라이백 변환기 구성에서 변압기를 사용하는 것이 아니라, 벅(buck) 변압기 토폴로지를 이용한다. 이것은 전원이 출력 전압이 입력 전압의 일부이도록 구성되는 경우에 상당한 손실 감소를 가능하게 한다. 도 12의 회로는 도 11에서 사용되는 플라이백 설계와 같이 높은 전력 팩터를 달성한다. 하나의 예시적인 구현에서, 전원(500A)은 120VAC의 입력 전압(67)을 수신하고, 약 30 내지 70VDC 범위의 출력 전압(32)을 제공하도록 구성된다. 이러한 출력 전압들의 범위는 (더 낮은 효율로 이어지는) 더 낮은 출력 전압들에서의 손실들의 증가는 물론, 더 높은 출력 전압들에서의 (고조파들의 증가 또는 전력 팩터의 감소로서 측정되는) 라인 전류 왜곡을 완화한다.
도 12의 회로는 입력 전압(67)이 변할 때 장치가 매우 일정한 입력 저항을 나타내게 하는 동일 설계 원리들을 이용한다. 그러나, 일정한 입력 저항의 조건은 1) AC 입력 전압이 출력 전압보다 작거나, 2) 벅 변환기가 연속 동작 모드로 동작하지 않을 경우에는 손상될 수 있다. 고조파 왜곡은 1)에 의해 유발되며, 불가피하다. 그의 효과들은 부하에 의해 허용되는 출력 전압을 변경하는 것에 의해서만 감소될 수 있다. 이것은 출력 전압에 대한 실질적인 상한을 설정한다. 최대로 허용되는 고조파 내용에 따라, 이러한 전압은 예상 피크 입력 전압의 약 40%를 허가하는 것으로 보인다. 고조파 왜곡은 2)에 의해서도 유발되지만, 그의 효과는 덜 중요한데, 이는 (변압기(T1) 내의) 인덕터가 연속/불연속 모드 사이의 전이를 1)에 의해 부과되는 전압에 가깝게 설정하도록 크기가 조절될 수 있기 때문이다. 다른 양태에서, 도 12의 회로는 벅 변환기 구성에서 고속 실리콘 탄화물 쇼트키 다이오드(다이오드 D9)를 사용한다. 다이오드 D9는 벅 변환기 구성에서 고정 오프 시간 제어 방법이 이용되는 것을 가능하게 한다. 이러한 특징은 또한 전원의 보다 낮은 전압 성능을 제한한다. 출력 전압이 감소함에 따라, 다이오드 D9에 의해 더 큰 효율 손실이 부과된다. 상당히 더 낮은 출력 전압들에 대해서는, 도 11에서 사용되는 플라이백 토폴로지가 일부 예들에서 바람직할 수 있는데, 이는 플라이백 토폴로지가 역 복구를 달성하도록 더 많은 시간 및 출력 다이오드에서의 더 낮은 역 전압을 허가하며, 전압들이 감소할 때, 더 높은 속도의, 그러나 더 낮은 전압의 다이오드들은 물론, 실리콘 쇼트키 다이오드들의 사용을 허가하기 때문이다. 그러나, 도 12의 회로에서의 고속 실리콘 쇼트키 다이오드의 사용은 비교적 낮은 출력 전력 레벨들에서 충분히 높은 효율을 유지하면서 FOT 제어를 허가한다.
도 13은 다른 실시예에 따른 높은 전력 팩터의 단일 스위칭 단계 전원(500B)의 일례를 나타내는 개략 회로도이다. 도 13의 회로에서는, 전원(500B)에 대해 부스트 변환기 토폴로지가 사용된다. 이러한 설계는 또한 고정 오프 시간(FOT) 제어 방법을 이용하며, 실리콘 탄화물 쇼트키 다이오드를 사용하여 충분히 높은 효율을 달성한다. 출력 전압(32)에 대한 범위는 AC 입력 전압의 예상 피크의 약간 위에서부터 이 전압의 약 3배까지이다. 도 13에 도시된 특정 회로 컴포넌트 값들은 약 300VDC 정도의 출력 전압(32)을 제공한다. 전원(500B)의 일부 구현들에서, 전원은 출력 전압이 명목상 피크 AC 입력 전압의 1.4 내지 2배가 되도록 구성된다. 하한(1.4배)은 주로 신뢰성의 문제이며, 입력 전압 과도 방지 회로는 그의 비용으로 인해 회피하는 것이 바람직하므로, 전류가 부하를 통해 흐르게 하기 전에 상당한 양의 전압 마진이 바람직할 수 있다. 상한(2배)에서, 일부 예들에서는 최대 출력 전압을 제한하는 것이 바람직할 수 있는데, 이는 스위칭 및 전도 손실들 양자가 출력 전압의 제곱으로서 증가하기 때문이다. 따라서, 이러한 출력 전압이 입력 전압 위의 소정의 적당한 레벨로 선택되는 경우에 보다 높은 효율이 얻어질 수 있다.
도 14는 도 13과 관련하여 전술한 부스트 변환기 토폴로지에 기초하는, 다른 실시예에 따른 전원(500C)의 개략도이다. 부스트 변환기 토폴로지에 의해 제공되는 잠재적으로 높은 출력 전압들로 인해, 도 14의 실시예에서는, 과전압 방지 회로(160)를 이용함으로써, 출력 전압(32)이 소정의 값을 초과하는 경우에는 전원(500C)이 동작을 멈추는 것을 보장한다. 하나의 예시적인 구현에서, 과전압 방지 회로는 출력 전압(32)이 약 350 볼트를 초과하는 경우에 전류를 전도하는 3개의 직렬 접속된 제너 다이오드(D15, D16, D17)를 포함한다.
더 일반적으로, 과전압 방지 회로(160)는 부하가 전원(500C)으로부터 전류를 전도하는 것을 중단하는 상황들에서만, 즉 부하가 접속되지 않거나 오동작하며 정상 동작을 멈추는 경우에만 동작하도록 구성된다. 과전압 방지 회로(160)는 궁극적으로 제어기(360)의 INV 입력에 결합되어, 과전압 조건이 존재하는 경우에 제어기(360)(따라서, 전원(500C))의 동작을 셧다운시킨다. 이러한 양태들에서, 과전압 방지 회로(160)는 장치의 정상 동작 동안에 출력 전압(32)의 조절을 용이하게 하기 위해 부하와 연관된 피드백을 제어기(360)에 제공하는 것이 아니라, 과전압 방지 회로(160)는 단지, 부하가 존재하지 않거나, 분리되거나, 아니면 전원으로부터 전류를 전도하는 데 실패하는 경우에 전원(500C)의 동작을 셧다운/금지시키도록(즉, 장치의 정상 동작을 완전히 중지시키도록) 기능한다는 것을 알아야 한다.
아래의 표 2에 지시되는 바와 같이, 도 14의 전원(500C)은 다양한 회로 컴포넌트들의 적절한 선택에 기초하여 다양한 상이한 입력 전압들을 위해 구성될 수 있다.
Figure 112009075135666-PCT00002
도 15는 도 12와 관련하여 전술한 벅 변환기 토폴로지에 기초하는, 그러나 과전압 방지 및 전원에 의해 방출되는 전자기 방사선의 감소와 관련된 소정의 추가 특징들을 갖는 전원(500D)의 개략도이다. 이러한 방출들은 주변으로의 방사 및 AC 입력 전압(67)을 운반하는 와이어들 내로의 전도 양자에 의해 발생할 수 있다.
일부 예시적인 구현들에서, 전원(500D)은 미국에서 연방 통신 위원회에 의해 설정된 전자기 방출에 대한 클래스 B 표준들을 충족시키고, 그리고/또는 그 전체 내용들이 본 명세서에 참고로 포함되는, 개정안 변호 1, 2 및 정정안 번호 1을 포함하는, "Limits and Methods of Measurement of Radio Disturbance Characteristics of Electrical Lighting and Similar Equipment"라는 제목의 영국 표준 문서 EN 55015:2001에 설명된 바와 같은, 조명 설비들로부터의 전자기 방출에 대해 유럽 공동체에서 설정된 표준들을 충족시키도록 구성된다. 예를 들어, 일 구현에서, 전원(500D)은 브리지 정류기(68)에 결합되는 다양한 컴포넌트를 갖는 전자기 방출("EMI") 필터 회로(90)를 포함한다. 일 양태에서, EMI 필터 회로는 매우 제한된 공간 내에 비용 효과적인 방식으로 결합되도록 구성되고, 또한 통상의 AC 디머들과 호환 가능하며, 따라서 전체 용량이 LED 광원들(168)에 의해 생성되는 광의 플리커링을 방지하도록 충분히 낮은 레벨에 있다. 하나의 예시적인 구현에서의 EMI 필터 회로(90)의 컴포넌트들에 대한 값들이 아래의 표에 주어진다.
Figure 112009075135666-PCT00003
도 15에 더 지시되는 바와 같이(국지적 접지 "F"에 대한 전원 접속 "H3"에서 지시되는 바와 같이), 다른 양태에서, 전원(500D)은 차폐 접속을 포함하는데, 이는 또한 전원의 주파수 잡음을 감소시킨다. 특히, 출력 전압(32) 및 부하의 양 및 음의 전위들 사이의 2개의 전기 접속에 더하여, 전원과 부하 사이에 제3 접속이 제공된다. 예를 들어, 일 구현에서, LED PCB(164)(도 2 참조)는 서로 전기적으로 분리된 여러 도전층을 포함할 수 있다. LED 광원들을 포함하는 이러한 층들 중 하나는 최상위 층일 수 있으며, (출력 전압의 음의 전위에 대한) 캐소드 접속을 수용할 수 있다. 이러한 층들 중 다른 하나는 LED 층 아래에 위치할 수 있으며, (출력 전압의 양의 전위에 대한) 애노드 접속을 수용한다. 제3 "차폐" 층이 애노드 층 아래에 위치할 수 있으며, 차폐 커넥터에 접속될 수 있다. 조명 장치의 동작 동안, 차폐 층은 LED 층에 대한 용량 결합을 감소/제거하도록 기능하며, 따라서 주파수 잡음을 억제한다. 도 15에 도시된 장치의 또 다른 양태에서, 그리고 회로도 상에서 C52에 대한 접지 접속에서 지시되는 바와 같이, EMI 필터 회로(90)는 (나사들에 의해 접속되는 와이어에 의해서가 아니라) 장치의 하우징에 대한 도전성 핑거 클립을 통해 제공될 수 있는 안전 접지에 대한 접속을 구비하며, 이는 통상의 와이어 접지 접속들보다 작고, 조립하기 쉬운 구성을 제공한다.
도 15에 도시된 또 다른 양태들에서, 전원(500D)은 출력 전압(32)에 대한 과전압 조건을 방지하기 위한 다양한 회로를 포함한다. 특히, 하나의 예시적인 구현에서, 출력 커패시터들(C2, C10)은 약 50 볼트 이하의 출력 전압들의 예상 범위에 기초하여 약 60 볼트(예를 들어, 63 볼트)의 최대 전압 레이팅으로 지정될 수 있다. 도 14와 관련하여 전술한 바와 같이, 전원에 대한 어떠한 부하도 없는 경우, 또는 전원으로부터 전류가 인출되지 않는 부하의 오작동의 경우, 출력 전압(32)이 상승하고, 출력 커패시터들의 전압 레이팅을 초과하여, 가능한 파괴로 이어질 것이다. 이러한 상황을 완화하기 위해, 전원(500D)은 활성화시에 제어기(360)의 ZCD(제로 전류 검출) 입력(즉, U1의 핀 5)을 국지적 접지 "F"에 결합하는 출력을 갖는 광 분리기(ISO1)를 포함하는 과전압 방지 회로(160A)를 포함한다. 과전압 방지 회로(160A)의 다양한 컴포넌트 값들은 출력 전압(32)이 약 50 볼트에 도달할 때 ZCD 입력 상에 존재하는 접지가 제어기(360)의 동작을 종료시키도록 선택된다. 도 14와 관련하여 또한 전술한 바와 같이, 과전압 방지 회로(160A)는 장치의 정상 동작 동안에 출력 전압(32)의 조절을 용이하게 하기 위해 부하와 연관된 피드백을 제어기(360)에 제공하는 것이 아니라, 과전압 방지 회로(160A)는 단지, 부하가 존재하지 않거나, 분리되거나, 아니면 전원으로부터 전류를 전도하는 데 실패하는 경우에 전원(500D)의 동작을 셧다운/금지시키도록(즉, 장치의 정상 동작을 완전히 중지시키도록) 기능한다는 것을 다시 알아야 한다.
도 15는 또한, 부하(LED 광원들)(168)로의 전류 경로가 테스트 포인트들(TPOINT1, TPOINT2)에 결합되는 전류 감지 저항기들(R22, R23)을 포함하는 것을 나타낸다. 이러한 테스트 포인트들은 임의의 피드백을 전원(500D)의 제어기(360) 또는 임의의 다른 컴포넌트에 제공하는 데 사용되지 않는다. 오히려, 테스트 포인트들(TPOINT1, TPOINT2)은 제조 및 조립 프로세스 동안 부하 전류를 측정하고, 부하 전압의 측정과 더불어, 부하 전력이 장치에 대해 규정된 제조자의 사양 내에 있는지의 여부를 결정하기 위한 액세스 포인트들을 테스트 기술자에게 제공한다.
아래의 표 3에서 지시되는 바와 같이, 도 15의 전원(500D)은 다양한 회로 컴포넌트들의 적절한 선택에 기초하여 다양한 상이한 입력 전압들을 위해 구성될 수 있다.
Figure 112009075135666-PCT00004
따라서, 본 발명에 따른 조명 장치는 종래 기술에 비해 다양한 이익을 제공한다. 통합 보조 광학 설비가 압력 전달 부재에 압축 결합되고, 히트 싱크 상에 밀봉 가능하게 배치되어, 컴포넌트들의 수를 줄이고, 접착제에 대한 필요를 줄이며, 개별 부품들의 수리 또는 교체를 위해 쉽게 분해되는 환경 친화적인 조명 장치를 제공한다. 본 발명의 조명 장치는 LED PCB로부터의 우수한 방열을 더 제공하며, 따라서 조명 장치의 과열을 방지하여 동작 수명을 연장시킨다.
다양한 본 발명의 실시예들이 여기에 설명되고 도시되었지만, 이 분야의 통상의 기술자들은 여기에 설명되는 기능을 수행하고 그리고/또는 여기에 설명되는 결과들 및/또는 이익들 중 하나 이상을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조들을 쉽게 구상할 것이며, 그러한 변형들 및/또는 변경들의 각각은 여기에 설명되는 본 발명의 실시예들의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 더 일반적으로, 이 분야의 기술자들은, 여기에 설명되는 모든 파라미터, 치수, 재료 및 구성이 예시적인 것을 의도하며, 실제 파라미터, 치수, 재료 및/또는 구성은 본 발명의 가르침이 이용되는 특정 응용 또는 응용들에 의존할 것이라는 것을 쉽게 알 것이다. 이 분야의 기술자들은 단지 일상적인 실험을 통해, 여기에 설명되는 본 발명의 특정 실시예들에 대한 많은 균등물을 인식하거나, 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 상기 실시예들은 단지 예시적으로 제공되며, 첨부된 청구항들 및 그의 균등물들의 범위 내에서, 본 발명의 실시예들은 구체적으로 설명되고 청구된 바와 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 실시예들은 여기에 설명되는 각각의 개별적인 특징, 시스템, 물건, 재료, 키트 및/또는 방법과 관련된다. 또한, 둘 이상의 그러한 특징, 시스템, 물건, 재료, 키트 및/또는 방법의 임의의 조합은 그러한 특징들, 시스템들, 물건들, 재료들, 키트들 및/또는 방법들이 서로 모순되지 않는 경우에 본 발명의 범위 내에 포함된다.
여기에서 정의되고 사용되는 모든 정의는 사전적인 정의들, 참고 문헌으로 포함된 문서들 내의 정의들 및/또는 정의된 용어들의 통상의 의미들을 지배하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 바와 같은 정관사들 "a" 및 "an"은 명확히 달리 지시되지 않는 한은 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 바와 같은 문구 "및/또는"은 그것으로 결합된 요소들, 즉 일부 예들에서는 결합하여 존재하고 다른 예들에서는 분리하여 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 양자"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"과 함께 열거되는 다수의 요소들은 동일한 방식으로, 즉 그렇게 결합된 요소들 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. 옵션으로서, 문구 "및/또는"에 의해 구체적으로 식별되는 요소들과 다른 요소들이, 구체적으로 식별되는 요소들과 관련되거나 관련 없는 것에 관계없이, 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, "포함하는"과 같은 개방 언어와 함께 사용될 때, 일 실시예에서 A만을(옵션으로서, B가 아닌 다른 요소들을 포함함), 다른 실시예에서 B만을(옵션으로서, A가 아닌 다른 요소들을 포함함), 또 다른 실시예에서 A 및 B의 양자를(옵션으로서 다른 요소들을 포함함), 기타 등등을 지칭할 수 있다.
본 명세서 및 청구항들에서 사용될 때, "또는"은 위에서 정의된 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 리스트에서 아이템들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포함적인 것으로서, 즉 다수의 요소들 또는 요소들의 리스트 중 적어도 하나를 포함하지만, 둘 이상도 포함하고, 옵션으로서 열거되지 않은 추가적인 아이템들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "--중에서 하나만" 또는 "--중에서 정확히 하나" 또는 청구항들에서 사용될 때에 "--로 구성되는" 등과 같이 명확히 달리 지시되는 용어들만이 다수의 요소들 또는 요소들의 리스트 중의 정확히 하나의 요소의 포함을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "또는"은 "어느 하나", "--중 하나", "--중 단 하나" 또는 "--중 정확히 하나" 등과 같은 배타적인 용어들이 선행할 때 배타적인 대안들(즉, "하나 또는 다른 하나이지만, 양자는 아님")을 지시하는 것으로만 해석되어야 한다. 청구항들에서 사용될 때, "본질적으로 구성되는"은 특허법의 분야에서 사용되는 바와 같은 그의 보통의 의미를 가져야 한다.
본 명세서 및 청구항들에서 사용될 때, 하나 이상의 요소의 리스트와 관련하여 "적어도 하나"라는 문구는 요소들의 리스트 내의 요소들 중 어느 하나 이상으로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 요소들의 리스트 내에 구체적으로 열거된 각각의 그리고 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하지는 않고, 요소들의 리스트 내의 요소들의 임의 조합들을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 정의는 또한 "적어도 하나"라는 문구가 지칭하는 요소들의 리스트 내에서 구체적으로 식별되는 요소들과 다른 요소들이, 구체적으로 식별되는 요소들과 관련되거나 관련되지 않는 것과 관계없이, 옵션으로서 존재할 수 있는 것을 허가한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나" (또는 등가적으로, "A 또는 B 중 적어도 하나" 또는 등가적으로 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는 일 실시예에서 옵션으로서 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나, 즉 B가 존재하지 않는(그리고 옵션으로서 B가 아닌 다른 요소들을 포함하는) A를, 다른 실시예에서 옵션으로서 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나, 즉 A가 존재하지 않는(그리고 옵션으로서 A가 아닌 다른 요소들을 포함하는) B를, 또 다른 실시예에서 옵션으로서 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나, 즉 A, 및 옵션으로서 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나, 즉 B(그리고 옵션으로서 다른 요소들을 포함함)를, 기타 등등을 지칭할 수 있다.
명확히 달리 지시되지 않는 한은, 둘 이상의 단계 또는 동작을 포함하는 여기에 청구되는 임의의 방법들에서, 방법의 단계들 또는 동작들의 순서는 방법의 단계들 또는 동작들이 기재된 순서로 반드시 한정되는 것은 아니라는 것도 이해해야 한다.
전술한 명세서는 물론, 청구항들에서, "포함하는", "보유하는", "구비하는", "갖는", "수반하는", "유지하는" 등과 같은 모든 전이구들은 개방적인 것으로, 즉 포함하지만, 한정되지 않는 것으로서 이해되어야 한다. "구성되는" 및 "본질적으로 구성되는"이라는 전이구들만이 미국 특허청의 특허 심사 절차 메뉴얼의 섹션 2111.03에 설명된 바와 같이 각각 폐쇄적이거나 반 폐쇄적인 전이구들이어야 한다.

Claims (28)

  1. 조명 장치로서,
    제1 표면을 구비하는 히트 싱크(heat sink);
    제2 표면 및 대향하는 제3 표면을 구비하는 LED 인쇄 회로 보드 - 상기 제2 표면은 상기 히트 싱크의 제1 표면 상에 배치되고, 상기 제3 표면 상에는 적어도 하나의 LED 광원이 배치됨 -;
    상기 적어도 하나의 LED 광원에 의해 방출되는 광을 수신하도록 배치되는 투명 상부 벽을 구비하는 통합 렌즈 하우징 부재(integrated lens-housing member);
    상기 LED 인쇄 회로 보드로부터 상기 통합 렌즈 하우징 부재의 투명 상부 벽으로의 방향으로 대체로 연장되는 지지 구조를 구비하고, 상기 지지 구조에 접속되는 압력 전달 표면을 더 구비하는 압력 전달 부재 - 상기 지지 구조는 개구를 정의하고, 상기 압력 전달 표면은 상기 LED 인쇄 회로 보드의 제3 표면 상에 배치되고, 또한 상기 LED 광원에 근접하게 배치됨 -; 및
    상기 압력 전달 부재의 지지 구조에 의해 정의되는 개구 내에 배치되는 광학 부재
    를 포함하고,
    상기 통합 렌즈 하우징 부재는 상기 압력 전달 부재에 압축 결합되고, 따라서 상기 통합 렌즈 하우징 부재에 의해 가해지는 힘이 상기 압력 전달 부재를 통해 상기 압력 전달 표면으로 전달되어, 상기 LED 인쇄 회로 보드를 상기 히트 싱크의 제1 표면을 향해 가압함으로써, 상기 LED 인쇄 회로 보드로부터 상기 히트 싱크로의 열 전달을 제공하는 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재는 상기 투명 상부 벽에 접하는 대향 측벽들을 구비하고, 상기 대향 측벽들은 상기 통합 렌즈 하우징 부재에 의해 상기 압력 전달 부재 상에 가해지는 힘을 생성하기 위해 상기 히트 싱크에 접속되는 조명 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재는 비접착성 커넥터(non-adhesive connector)에 의해 상기 히트 싱크에 접속되는 조명 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재는 상기 광학 부재에 압축 결합되지 않는 조명 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재와 상기 압력 전달 부재의 지지 구조 사이에 삽입되는 컴플라이언트 부재(compliant member)를 더 포함하는 조명 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 컴플라이언트 부재는 열가소성 탄성 중합체(thermoplastic elastomer)를 포함하는 조명 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재의 투명 상부 벽은 적어도 하나의 접속 핀을 구비하는 내면을 갖고, 상기 투명 상부 벽의 내면 상에 배치되는 광 확산 층을 더 포함하고, 상기 접속 핀은 상기 투명 상부 벽의 내면에 대해 상기 광 확산 층을 유지하도록 구성되는 조명 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 LED 인쇄 회로 보드와 상기 히트 싱크의 제1 표면 사이에 삽입되는 열 인터페이스 층을 더 포함하는 조명 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열 인터페이스 층은 흑연을 포함하는 조명 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재는 상기 투명 상부 벽에 접하는 대향 단부 벽들을 더 구비하는 조명 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재는 플라스틱을 포함하는 조명 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재는 폴리카보네이트(polycarbonate)를 포함하는 조명 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재는 본질적으로 플라스틱으로 구성되는 조명 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재는 본질적으로 폴리카보네이트로 구성되는 조명 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 압력 전달 표면과 상기 LED 광원 사이의 최단 거리는 약 2mm보다 작은 조명 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 압력 전달 표면과 상기 LED 광원 사이의 최단 거리는 약 1mm인 조명 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재의 최소 두께는 약 3mm인 조명 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 압력 전달 부재는 불투명한 조명 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 통합 렌즈 하우징 부재는 대향 측벽들 및 상기 투명 상부 벽에 접하는 제1 오버몰딩된 단부 벽(over-molded end wall) 및 대향하는 제2 오버몰딩된 단부 벽을 더 포함하는 조명 장치.
  20. 제19항에 기재된 바와 같은 제1 조명 장치 및 제2 조명 장치를 포함하는 선형 조명 장치(linear lighting apparatus)로서,
    상기 제1 조명 장치의 제1 오버몰딩된 단부 캡이 상기 제2 조명 장치의 제2 오버몰딩된 단부 캡에 대향하는 선형 조명 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 조명 장치의 제1 오버몰딩된 단부 캡과 상기 제2 조명 장치의 제2 오버몰딩된 단부 캡 사이의 거리가 약 3mm보다 작아서, 상기 제1 조명 장치 및 제2 조명 장치 사이에 갭을 정의하는 선형 조명 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 광학 부재는 TIR 광학계(optic)를 포함하는 선형 조명 장치.
  23. LED 기반 조명 장치로서,
    히트 싱크;
    기판 상에 배치되는 복수의 LED를 포함하는 LED 어셈블리;
    복수의 광학 유닛 - 상기 복수의 광학 유닛의 각각의 광학 유닛은 압력 전달 부재 내에 위치하는 주요 광학 요소를 포함하고, 각각의 광학 유닛은 상기 복수의 LED 중 상이한 LED 위에 배치됨 -; 및
    보조 광학 설비에 의해 가해지는 힘이 상기 압력 전달 부재들을 통해 전달되 어, 상기 LED 어셈블리를 상기 히트 싱크를 향해 가압하여, 상기 LED 어셈블리로부터 상기 히트 싱크로의 열 전달을 용이하도록, 상기 복수의 광학 유닛 위에 배치되고, 상기 복수의 광학 유닛에 압축 결합되는 보조 광학 설비
    를 포함하는 LED 기반 조명 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 상기 LED 어셈블리에 대한 하우징의 제1 부분을 형성하고,
    상기 보조 광학 설비는 상기 LED 어셈블리에 대한 하우징의 제2 부분을 형성하는 LED 기반 조명 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 LED 어셈블리는 접착제 없이 상기 하우징 내에 고정되는(secured) LED 기반 조명 장치.
  26. 제23항에 있어서, 상기 보조 광학 설비는 어떠한 주요 광학 요소에도 힘을 직접 가해지 않는 LED 기반 조명 장치.
  27. 히트 싱크, 기판 상에 배치되는 복수의 LED를 포함하는 LED 어셈블리, 및 복수의 광학 유닛을 포함하는 LED 기반 조명 장치를 조립(assembling)하는 방법으로서,
    (a) 상기 히트 싱크 위에 상기 LED 어셈블리를 배치하는 단계;
    (b) 상기 LED 어셈블리 위에 상기 복수의 광학 유닛을 유지하여, 각각의 광학 유닛을 상기 복수의 LED 중 상이한 LED 위에 배치하는 단계; 및
    (c) 접착 재료들을 이용하지 않고서, 상기 LED 어셈블리 및 주요 광학 요소들을 상기 히트 싱크에 대해 고정하는 단계
    를 포함하는 LED 기반 조명 장치 조립 방법.
  28. 제28항에 있어서, 상기 (c) 단계는 보조 광학 설비를 상기 복수의 광학 유닛에 압축 결합하여, 상기 보조 광학 설비에 의해 가해지는 힘이 상기 LED 어셈블리를 상기 히트 싱크에 대해 고정하게 하는 단계를 포함하는 LED 기반 조명 장치 조립 방법.
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