TWI515387B - 路燈及其發光設備 - Google Patents

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傅學弘
柯佩雯
孫志璿
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Description

路燈及其發光設備
本發明係有關於一種發光裝置，特別係有關於應用發光二極體發光模組之發光二極體燈具。
發光二極體為當被施加電壓時會發出光線的半導體光子裝置，發光二極體由於其小體積、長壽命、節能、可靠度高等優點，已逐漸普遍。近年，發光二極體裝置具有多種應用，包括指示器、光源、交通號誌、寬頻傳輸以及照明裝置。例如，發光二極體裝置常被用於取代傳統燈泡，如路燈。然而，傳統的發光二極體路燈有彈性不足、維護不易、與現有殼體不相容、以及防水性差等缺點。
現存的發光二極體燈具，符合其原本的基本需求，但其並未滿足所有應用層面的需要。因此需要能克服前述傳統缺點的發光二極體燈具。
本發明即為了欲解決習知技術之問題而提供之一種發光模組，包括一發光裝置陣列、一金屬蓋以及一散熱器。發光裝置陣列設於一基板之上，其中，該陣列之每一發光裝置包括一半導體光子裝置，由一透鏡所覆蓋。金屬蓋具有複數個開口，其中，每一發光裝置各自對應其中之一該開口。散熱器熱耦合該基板。
在一實施例中，該基板包括一導熱墊；該半導體光子裝置包括一發光二極體；該透鏡包括一副透鏡。
在一實施例中，該副透鏡為可重複裝配的。
在一實施例中，該發光模組防水。
在一實施例中，該發光模組包括一防水襯墊，設於該金屬蓋與該散熱器之間；以及一或多個防水連接器，耦合該金屬蓋。
在一實施例中，該金屬蓋之該等開口作為其對應之該半導體光子裝置的反射器。
在一實施例中，該散熱器包括複數個鰭片，每一鰭片各自包括一凹槽；該等凹槽大致上排成一列。
在一實施例中，每一鰭片包括複數個突出分支件。
在一實施例中，複數之該發光模組以可操作的方式被安裝於一眼鏡蛇頭型燈的一殼體之中。
本發明之實施例亦提供一種發光設備，包括一殼體以及複數個發光模組。複數個發光模組，設於該殼體之中，其中每一發光模組包括一導熱基板；複數個發光二極體裝置，設於該基板之上；一金屬蓋，設於該基板上方，其中該金屬蓋包括複數個開口，其中，每一發光二極體裝置各自對應其中之一該開口；以及一散熱器，耦合該基板。
在一實施例中，每一發光二極體裝置均具有一發光二極體由一可重複裝配的副透鏡所覆蓋。
在一實施例中，每一發光模組包括一或多個防水件，該等防水件包括至少一防水襯墊以及一防水連接器。
在一實施例中，該發光模組透過免螺絲機構而被固定於該殼體。
在一實施例中，該金屬蓋之每一開口作為各自環繞該發光二極體裝置的反射壁。
在一實施例中，該散熱器包括一板以及複數個元件凸出於該基板，其中該等元件包含各自的凹槽並大致上彼此排成一列。
在一實施例中，每一元件包括複數個分支，從該元件上向外延伸。
本發明之實施例亦提供一種路燈，包括一基座、一燈柱以及一燈頭。燈柱耦合該基座。燈頭耦合該燈柱，其中該燈頭包括一殼體；一電源模組；以及複數個發光模組，設於該殼體之中，其中每一發光模組包括複數個發光二極體、耦接於該等發光二極體之一散熱器以及一金屬蓋，其中該金屬蓋包括複數個開口，其中，每一發光二極體各自對應其中之一該開口。
在一實施例中，每一發光模組包括複數個可重複裝配的副透鏡，其各自覆蓋一發光二極體；以及該金屬蓋之每一開口作為各自環繞該發光二極體的光反射壁。
在一實施例中，每一發光模組個別防水。
在一實施例中，該散熱器包括複數個鰭片，每一鰭片各自包括一凹槽，且該等凹槽大致上排成一列。
以下提供本發明之各種不同的實施例，以下實施例之揭露並未限制本發明。例如，第一元件設於第二元件上方，可包含第一元件直接接觸第二元件，或有一元件夾設於第一第二元件之間的情況。此外，「頂部」、「底部」、「下方」、「上方」等用語僅用於說明，其並未對本案造成限制。此外，本案的說明之中，有的標號會重複出現，但此 僅為了清楚描述，並不代表這些標號所示的元件或元件關係一定為必要。
半導體裝置可以被用於製造光子裝置，例如發光二極體裝置。當被啟動時，發光二極體裝置可以提供可視光譜內之不同顏色的光線。相較於習知的光源(例如，白熱燈泡)，使用發光二極體裝置的發光設備具有體積較小、節省能源、高壽命、顏色穩定以及較佳可靠度以及耐久度等優點。這些優點，隨著發光二極體製造技術的進步，使得發光二極體裝置更便宜且更耐用，加速了近年發光二極體發光設備的普及化。然而，已知的發光二極體設備面對了一些缺點，例如缺乏彈性，維修困難，在一些習知殼體設計下難以重工，並難以符合防水需求等等。
本發明提供一種改良的發光二極體發光設備20，其克服了習知傳統發光二極體發光設備的缺點。參照第1圖，其係顯示本發明實施例之發光設備20的部分結構立體圖。詳細的說，第1圖係顯示本發明實施例之發光設備20為一路燈的燈頭。該發光設備20包括一殼體30以及複數個發光模組40，設於該殼體30之中。更清楚的說，每一該發光模組40與該燈頭被分開說明。該發光模組40彼此分離獨立。每一發光模組40可以獨立設於殼體30之中，或從其中取出。在一些實施例中，每個發光模組40可以透過螺絲50(或其他合適的固定機構)被固定於該殼體30。在一變形例之中，該發光模組40可以透過免螺絲機構被固定於該殼體30，其將在第3A、3B、4A、4B以及4C圖中詳細說明。
第2A以及2B圖係顯示發光模組40A之詳細立體圖。第2A圖係顯示發光模組40A的爆炸立體圖，第2B圖係顯示發光模組40A的組合立體圖。該發光模組40A包括複數個半導體光子裝置，例如發光二極體60，作為光源。每一發光二極體60可具有p型層或是n型層，其各自包含III-V族混合物。發光二極體60可包含多重量子井夾設於p型層或是n型層之間。該多重量子井層可包含氮化鎵或氮化銦鎵。該p型層、n型層以及該多重量子井層可透過磊晶製程製作。當一電壓被施加於該p型層或該n型層時，該多重量子井層發出光線。
發光二極體60設於一基板70之上。該基板70包括金屬芯印刷電路板。該金屬芯印刷電路板包括一金屬板，其可以為鋁板(或其他合金)。該金屬芯印刷電路板包括一具有導熱功能但電性絕緣之介電層設於該金屬板之上。該金屬芯印刷電路板可更包括一薄金屬層，由銅製作，設於該介電層之上。在特定實施例中，該基板70可包括其他合適的導熱結構。該基板70可包含特定主動電路，亦可以被用於建立內部連結。
該發光二極體60均具有主透鏡形成於其上。該主透鏡可直接製作於發光二極體之上，藉以修整發光二極體的光型。此外，發光二極體60分別由副透鏡80所覆蓋，其位於主透鏡上方。副透鏡80與主透鏡聯合以進一步調整發光二極體60的光型。副透鏡80為可重複裝配的。例如，副透鏡80可以被其他的副透鏡所取代，以調整發光二極體60的輸出光型。
該發光模組40亦包括一金屬蓋90覆蓋發光二極體60。該金屬蓋90包含複數個開口100，大致各自對應該等發光二極體60。每一發光二極體60設於一對應的開口100之中。開口100由側壁110所定義，共同建構一多邊形結構，例如矩形。每一發光二極體60由一個多邊形結構(例如，開口)所周向環繞。
副透鏡80可以透過黏膠設於金屬蓋90。金屬蓋90的多邊形結構具有兩個目的。第一，保護副透鏡80以及發光二極體60免於被外物傷害，例如，被丟擲朝向該副透鏡80以及發光二極體60的投擲物可以被金屬蓋90的側壁110所轉向而免於對該副透鏡80以及發光二極體60造成傷害。第二，多邊形結構可作為發光二極體60的反射杯。發光二極體60所提供的光線可由金屬蓋90的側壁110所反射朝向預定方向。沒有了反射結構，光線可能亂射，並因此造成預定方向的光強不足。該金屬蓋90熱耦合發光二極體60，並用於幫助發光二極體60散熱。
纜線120透過一防水連接器130耦合金屬蓋90。電線透過纜線120以及防水連接器130耦接發光模組40A，因此在發光二極體60以及外部裝置間建立電性連接。該防水連接器130防止水或濕氣進入發光模組40A內部。
基板70上之發光二極體60設於一導熱墊140之上。該導熱墊140具有良好的導熱性，並可包含金屬材料。藉此，發光二極體60所產生的熱能可以被有效的被傳遞至該導熱墊140。
該導熱墊140環繞或由一防水襯墊150所密封。該防 水襯墊150由防水材料製造，以防止濕氣進入發光模組40A。因此，發光模組40A獨立防水。
該導熱墊140設於一散熱器160之上。該導熱墊140可將發光二極體60所產生的熱量傳遞至該散熱器160。該散熱器160包含導熱材料，例如金屬材料，以幫助將熱量導至周圍環境。該散熱器160可包含複數個鰭片170，從該散熱器160的本體向外延伸。鰭片170之表面區域可暴露於環境空氣之中，以最大化散熱效率。該散熱器160(以及鰭片170)將於第8A以及8B圖中詳細描述。
雖然沒有於第2A以及2B圖中說明，一或多個固定機構(如，第1圖的螺絲50)可以用於將該發光模組40A固定於一合適的殼體，例如，第1圖的殼體30。該發光模組40A可以被輕易的安裝於殼體，或從殼體拆卸。服務技師僅需要固定(或拆卸)螺絲以及防水連接器。藉此可簡單保養路燈，特別是在高處的環境。
第3A以及3B圖係顯示本發明另一實施例之發光模組40B的爆炸以及組合立體圖。發光模組40B類似第2A以及2B圖發光模組40A。為了清楚描述，發光模組40A以及發光模組40B中相同的元件使用相同的標號。例如，發光模組40B包括複數個發光二極體60設於一基板70。發光二極體60由可重複裝配的副透鏡80所覆蓋。金屬蓋90具有開口100並位於發光二極體60上方，每一發光二極體60各自設於該等開口100之中。發光二極體60透過導熱墊140熱耦合散熱器160。散熱器160包括複數個鰭片170以幫助散熱。
不同於發光模組40A，發光模組40B使用一或多個免螺絲機構200以將光模組40B固定於殼體，例如，第1圖之殼體30。在一實施例中，免螺絲機構200包括金屬榫(以下稱作金屬榫200)，其可使發光模組40B透過彈力固定於殼體30。第4A-4C圖係顯示金屬榫200的不同角度立體圖。金屬榫200的部分可接觸散熱器160的側壁，其另一部份可接觸殼體30。金屬榫200的彈力將散熱器160(及發光模組40B)固定於殼體30。換言之，發光模組40B可透過彈力充分嵌合於殼體30。
因此，為了將發光模組40B固定於殼體30，技術人員僅需要將發光模組40B以及金屬榫200置放於金屬榫200可以被嵌合的位置。在拆卸發光模組40B的時候，技術人員僅需要卸下金屬榫200。技術人員不需要使用手工具，例如扳手或是起子。上述設計可簡化維修程序。在一變形例中，免螺絲機構200可包括鉗子(例如，散熱器160之一側鰭片170)，或，一滑動溝槽或是一固定腳。
參照第3A以及3B圖，發光模組40A與發光模組40B之間的另一不同點在於發光模組40A的發光二極體60以單一列的垂直方位陣列排列，而，發光模組40B的發光二極體60以兩列的水平方位陣列排列。其他排列方式亦可適用於本發明，並可根據所需要的光形、光強、可使用空間，以及費用，設計發光二極體的排列方式。
第5圖係顯示本發明另一實施例之發光模組40C。發光模組40C類似第2A、2B以及3A、3B圖之發光模組40A、40B。為了清楚描述，發光模組40A-40C中相同的元件使 用相同的標號。例如，發光模組40C包括複數個發光二極體60設於一基板70。發光二極體60由可重複裝配的副透鏡80所覆蓋。金屬蓋90具有開口100並位於發光二極體60上方，每一發光二極體60各自設於該等開口100之中。發光二極體60透過導熱墊140熱耦合散熱器160。散熱器160包括複數個鰭片170以幫助散熱。相似於發光模組40A，發光模組40C具有兩列水平方位陣列的發光二極體60。相似於發光模組40B，發光模組40C具有螺絲以將其固定於殼體。發光模組40C可以被視為發光模組40A與發光模組40B的結合。
第6A-6C圖係顯示發光模組40A、40B、40C可使用之燈頭210。第6A圖係顯示燈頭210的爆炸圖，第6B圖係顯示燈頭210的俯視圖，第6C圖係顯示燈頭210的立體圖。燈頭210可以被視為第1圖之發光設備20的一實施例。
燈頭210包括配件220，其可以為板或盤。在一實施例中，配件220包括導熱材料，例如金屬。發光模組40透過螺絲或免螺絲機構設於配件220。殼體230為發光模組40提供遮蔽。配件220以及殼體230至少部分圍繞發光模組40。配件220可以被視為殼體230的一部份。殼體230可以為傳統路燈之眼鏡蛇頭式殼體，或是其他型式的殼體。該殼體230可包括穿孔盤240以幫助透氣，並最佳化散熱效率。燈頭210可包括電源模組250，其同樣由殼體230覆蓋。電源模組250可包括電路板，以為發光模組40提供電力。
第7圖係顯示發光模組40的部分截面圖。發光模組 40包括發光二極體60以提供光線。發光二極體設於基板70之上，並透過導熱墊140熱耦合散熱器160。副透鏡80設於發光二極體60之上以調整其光型。光學膠260填充於發光二極體60與副透鏡80之間。金屬蓋90設於副透鏡80之上以保護透鏡80以及發光二極體60。金屬蓋90包括開口100對應透鏡80或發光二極體60。換言之，透鏡80或發光二極體60設於開口100之中。開口100由側壁110定義。側壁110的功能為反射，例如，反射發光二極體60所提供之光線270A而成為270B。由於金屬蓋90的側壁110做為反射結構，因此無須額外的反射元件，節省製造成本。
第8A以及8B圖係顯示散熱器160的變形例。參照第8A圖，散熱器160A包括一本體275以及複數個鰭片170A，從本體275向外延伸。每一鰭片170A具有凹槽280。鰭片170A大致上呈U字形。凹槽280大致彼此相對應，藉此形成一氣流通道，該氣流通道的延伸方向相同於該等發光二極體裝置的共同延伸方向。散熱器160的氣流可因此強化，並增進散熱效率。
參照第8B圖，散熱器160B包括複數個鰭片170B，從本體275向外延伸。每一鰭片170B具有凹槽280。鰭片170B大致上呈U字形，並大致彼此相對應。因此相似於散熱器160A，散熱器160B可改善氣流而得到較佳的散熱效率。此外，散熱器160B的鰭片170B均包括複數向外延伸突出的分支件290。分支件290增強散熱器160B的散熱效率，其可維持原來的氣流流率，並進一步增加散熱器160B 的散熱面積。
第9圖係顯示本發明之用以製造應用半導體光子裝置之發光裝置的製造方法300，包括步驟310，其中，發光二極體陣列被設於一板上。該板包括金屬芯印刷電路板，且每一發光二極體由副透鏡所覆蓋。方法300包括步驟320，其中，發光二極體陣列耦合一金屬蓋以及一散熱器，藉此形成一發光二極體發光模組。該金屬蓋包括複數個開口各自環繞發光二極體。開口作為發光二極體在金屬蓋上的反射壁，以反射發光二極體所提供的光線。散熱器具有複數個鰭片且每一鰭片具有凹槽。凹槽使得散熱器內的流場改善。散熱器疏散發光二極體所產生的熱量。方法300包括步驟330，其中發光二極體發光模組被設於殼體之中，發光二極體發光模組彼此獨立分離。每一發光二極體發光模組具有完整的防水功能。殼體可以為眼鏡蛇頭式殼體。
步驟310-330以外可更具其他步驟以加強發光裝置製造上的完整性，在此簡化不另行贅述。
依據本發明實施例之發光設備20具有已知半導體發光產品的優點。在此並未贅述所有的優點，不同的實施例可提供不同的優點，也沒有特定優點必須適用於所有實施例。
本發明實施例之一優點為方便安裝以及維護。傳統發光二極體燈具一般將一組發光二極體安裝於單一個印刷電路板之上。因此整個電路板必須被取出以維修單一個元件，如此耗工耗時。本發明提供多個獨立的發光二極體發光模組，安裝於一個殼體之中。光模組安裝容易，可透過 螺絲或免螺絲機構進行安裝。當某一發光模組上的元件損壞時，僅需要更換該發光模組。技術人員僅需要簡單的工具(如，扳手或起子)或是不用手工具，即可完成安裝或維護。本發明實施例的優點在於安裝及維護方便，由於路燈的高度往往很高，增進安裝及維護的方便性，可提高其安全性。
本發明實施例的另一優點在於可改善發光二極體發光模組的散熱效率。在一實施例中，每一鰭片具有凹槽。凹槽大致彼此相對應，藉此形成一氣流通道，該氣流通道的延伸方向相同於該等發光二極體裝置的共同延伸方向。散熱器的氣流可因此強化，並增進散熱效率。在另一實施例中，散熱器的鰭片包括複數向外延伸突出的分支。分支增強散熱器的熱對流效率並避免溫度匯流。金屬蓋可實現多方向的散熱，即，可朝第一方向透過散熱器散熱，並朝相反方向透過該金屬蓋散熱，當方向散熱可在冬天防止冰凝結於燈具的前端，可以達成散熱並同時融雪的效果。
本發明之實施例並提供較佳的光學設計。如，副透鏡搭配主透鏡可調整發光二極體的光形。設於發光二極體與副透鏡間的光學膠可將光輸出效率增進100%。此外，金屬蓋可作為反射器，如此避免了額外的反射元件、簡化設計並節省成本。
另外，發光二極體發光單元各自具有防水功能，避免整個系統同時失效的風險。本發明之發光二極體發光單元並適用於眼鏡蛇頭式殼體，傳統發光二極體並不適用。
第10圖係本發明實施例之顯示燈具400，其包括前述 發光設備20的實施例。燈具400可以為路燈。燈具400具有基座410、燈柱420以及燈頭430。燈柱420耦合該基座410。燈頭430耦合該燈柱420。燈頭430可以為眼鏡蛇頭式。光線440於燈頭430被提供。
燈頭包括前述之發光設備20，如第1-9圖所述。其可包括複數個發光模組，其可分離獨立的設於殼體之中。如前所述之優點，燈頭430可方便安裝及保養，並具有良好的功效表現。
雖然本發明已以具體之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，仍可作些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
20‧‧‧發光設備
30‧‧‧殼體
40、40A、40B、40C‧‧‧發光模組
50‧‧‧螺絲
60‧‧‧發光二極體
70‧‧‧基板
80‧‧‧副透鏡
90‧‧‧金屬蓋
100‧‧‧開口
110‧‧‧側壁
120‧‧‧纜線
130‧‧‧防水連接器
140‧‧‧導熱墊
150‧‧‧防水襯墊
160、160A、160B‧‧‧散熱器
170、170A、170B‧‧‧鰭片
200‧‧‧免螺絲機構
210‧‧‧燈頭
220‧‧‧配件
230‧‧‧殼體
240‧‧‧穿孔盤
250‧‧‧電源模組
260‧‧‧光學膠
270A、270B‧‧‧光線
275‧‧‧本體
280‧‧‧凹槽
290‧‧‧分支件
300‧‧‧製造方法
310、320、330‧‧‧步驟
400‧‧‧燈具
410‧‧‧基座
420‧‧‧燈柱
430‧‧‧燈頭
440‧‧‧光線
第1圖係顯示本發明實施例之發光設備，其為一路燈的燈頭；第2A以及2B圖係顯示本發明實施例之發光模組之詳細立體圖；第3A以及3B圖係顯示本發明另一實施例之發光模組的爆炸以極組和立體圖；第4A-4C圖係顯示本發明實施例之金屬榫的不同角度立體圖；第5圖係顯示本發明另一實施例之發光模組；第6A-6C圖係顯示本發明實施例之發光模組可使用之燈頭；第7圖係顯示本發明實施例之發光模組的部分截面 圖；第8A以及8B圖係顯示本發明之散熱器的變形例；第9圖係顯示本發明之用以製造應用半導體光子裝置之發光裝置的製造方法；以及第10圖係本發明實施例之顯示燈具。
20‧‧‧發光設備
30‧‧‧殼體
40‧‧‧發光模組
50‧‧‧螺絲

Claims (9)

  1. 一種發光設備，包括：一殼體；以及複數個發光模組，設於該殼體之中，每一發光模組可單獨從該殼體分離，其中，每一發光模組包括：一導熱基板；複數個發光二極體裝置，設於該基板之上；一金屬蓋，設於該基板上方，其中該金屬蓋包括複數個開口，其中，每一發光二極體裝置各自對應其中之一該開口；以及一散熱器，耦合該基板；其中，該散熱器包括一本體以及複數個鰭片凸出於該本體，該等鰭片各自包括凹槽，該等凹槽大致上排成一列，該等凹槽共同形成一氣流通道，該氣流通道的延伸方向相同於該等發光二極體裝置的共同延伸方向；其中，每一發光模組透過彈簧力固定於該殼體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光設備，其中，每一發光二極體裝置包括一發光二極體，由一可重複裝配的副透鏡所覆蓋。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光設備，其中，每一發光模組包括一或多個防水元件，該防水元件包括至少一防水連接器以及一防水襯墊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光設備，其中，每一發光模組透過一免螺絲機構固定於該殼體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光設備，其中，該 金屬蓋之每一開口作為各自環繞該發光二極體裝置的反射壁。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光設備，其中，每一鰭片包括複數個突出分支件從該鰭片向外延伸。
  7. 一種路燈，包括：一基座；一燈柱，耦合該基座；一燈頭，耦合該燈柱，其中該燈頭包括：一殼體；一電源模組；以及複數個發光模組，設於該殼體之中並可單獨從該殼體分離，其中每一發光模組包括複數個發光二極體、熱耦接於該等發光二極體之一散熱器，以及一金屬蓋，其中該金屬蓋包括複數個開口，其中，每一發光二極體各自對應其中之一該開口；其中，該散熱器包括複數個鰭片，該等鰭片各自包括凹槽，該等凹槽大致上排成一列，該等凹槽共同定義一長條狀氣流通道，該氣流通道的延伸方向相同於該等發光二極體裝置的共同延伸方向；其中，每一發光模組透過彈簧力固定於該殼體。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之路燈，其中：每一發光模組包括複數個可重複裝配的副透鏡，其各自覆蓋一發光二極體；以及該金屬蓋之每一開口作為各自環繞該發光二極體的光反射壁。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之路燈，其中，每一發光模組係單獨防水的。
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