JP6436976B2 - 照明デバイス - Google Patents

Description

本発明は、概して照明デバイスに関し、より具体的には、複数の光源と、エンベロープと、エンベロープに配置される熱拡散器エレメントとを有する半導体照明デバイスに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）ベースの電球などの照明デバイス、すなわちＬＥＤランプは、一般的に知られている。高強度及び高いルーメン出力のためのＬＥＤランプのコンセプトは、通常、熱特性及び駆動電子部品のための利用可能なスペースによって制限される。米国公開特許第２０１２／０１３９４０３号は、光学ガイドに光学的に結合されたＬＥＤであって、該光学ガイドが内部ボリュームを包囲する当該ＬＥＤと、サーマルガイドとを有する半導体照明デバイスを開示する。サーマルガイドは、ＬＥＤからの熱伝導を提供するため光学ガイド内に一体化され、光学ガイドのエリアに同一の広がりをもって近接するか、又は光学ガイドの内部ボリューム内に配置されるかのいずれかである。

上記のシステムは、一般に、熱効率の良い照明デバイスを達成するのに効果的である。しかしながら、より複雑でなく、よりコストのかからない、効率的な熱特性を備える照明デバイスのニーズがある。

本発明の目的は、少なくとも改善された照明デバイスを提供することである。システムレベルで、低い熱抵抗Ｒ_ｔｈを持つ低いコストのレトロフィットＬＥＤランプに適した照明デバイスを達成することは有利であろう。駆動電子部品のために利用可能性の高いボリュームを持つ照明デバイスを可能とすること、及び全方向性配光の可能性を備える良好な光学パフォーマンス提供することも望ましい。これらの目的は、添付の独立請求項に規定される本発明の照明デバイスによって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項において、並びに、下記の説明及び図面において説明される。

したがって、本発明のコンセプトによると、光源と、光源からの光を配光するように構成される外面、及び内部ボリュームを囲むように構成される内面を有するエンベロープとを有する照明デバイスが提供される。内面は、シートメタルエレメント、すなわち内面に配置された熱拡散器エレメントによって少なくとも部分的に覆われる。シートメタルエレメントは、前記内面から所定の距離で離間され、これによって、内面とシートメタルエレメントとの間にクリアランスを提供し、これは、シートメタルエレメントとエンベロープとの間の光カップリングを防止するのに有利である。これは、大きな冷却エリアを提供するためにエンベロープの内面を利用する、低コストの照明デバイスを提供する。エンベロープの内部ボリュームは、その後、照明デバイスの駆動電子部品を位置決めするために利用されてもよい。照明デバイスからの光出力は、エンベロープの外面で生成され、有利には、駆動電子部品又は熱拡散器からの影は、生成された光には存在しない。シートメタルは、通常、安価でフレキシブルであり、さらに、容易な成形及び形成技術と関連し、有利である。

照明デバイスの実施形態によると、シートメタルエレメントの一部は、内面と直接接触して配置されるか、又は、例えばいくつかの熱的カップリング剤によって内面と熱的に結合される。さらに、少なくともシートメタルエレメントの一部は、内面から所定の距離で離間される。好ましくは、所定の距離は、１０μｍ〜２００μｍの間で選択され、照明デバイスの良好な熱特性を確実にするために、通常、約１００μｍが選択される。例示される実施形態では、所定の距離を提供するためのスペーサエレメントは、シートメタルエレメントと内面との間に配置される。

照明デバイスの実施形態によると、複数の光源の各々は、光源からシートメタルエレメントへの熱伝導を増加させるために、シートメタルエレメントに熱的に結合される。サーマルパッドを備えるＬＥＤに対しては、半田付け又は改良接着剤の塗布が、ＬＥＤをシートメタルエレメントに熱的に結合するために適用可能である。フレキシブルなシートメタルエレメント（フレックスホイル）上に実装されたＬＥＤに対しては、適切にデザインされたフレックスホイル及び接着層、例えばエキノックス社のＬＥＤストリップが、ＬＥＤとシートメタルエレメントとの間に良好な熱的カップリングを提供するために適用可能である。

照明デバイスの実施形態によると、エンベロープの外面に、光出力を向上させる及び／又は強度プロファイルを制御する若しくはエンベロープの外面からの光線抽出を制御するために、光抽出エレメントが配置される。

照明デバイスの実施形態によると、複数の光源がエンベロープの予め選択されたエリア、例えばエンベロープの内面に又は代替的に外面にわたって配置される。光源のクラスタは、選択された表面エリアに配置されてもよい。これによって、エンベロープからの配光は、例えばそれぞれの表面の全体にわたって均一に広がり、すなわち光源はエンベロープ全体にわたって均一に配置されるか、又は、配光はエンベロープの特定エリアに集中する。エンベロープの表面に、及びこれによってシートメタルエレメントの表面にわたって分散されるＬＥＤのクラスタ（又はＬＥＤ）を提供することは、シートメタルエレメントによって改善された放熱を提供するために有利である。結果として、シートメタルエレメントの材料は、より薄くなるか、又は熱伝導がより小さくなるように選択され得、これは、薄い鉄のシートのような材料を使用する可能性を開く。

照明デバイスの実施形態によると、エンベロープは、光源からの光を受け入れて配光するための複数の光源に光学的に結合されるライトガイドを有する。光は、内部反射によってライトガイドを通して配光される。この実施形態では、ライトガイドにおいて良好な内部反射を実現するためには、シートメタルエレメントは、好ましくは、前述したように、ライトガイドから所定の距離で離間される。照明デバイスの実施形態では、ライトガイドは、その近位端の端面に光入力端を備え、光入力端に複数の光源が配置される。ライトガイドは、中空のソリッドライトガイドとして配置されるか、又は可撓性であってもよい。可撓性である場合、ライトガイドは、好ましくは、支持構造としてエンベロープの外側保護用の透明なカプセル化層を利用して配置される。

照明デバイスの実施形態によると、複数の光源の駆動電子部品は、内部ボリューム内に配置される。これによって、既知のレトロフィットＬＥＤランプの解決策におけるよりもかなり大きなボリュームが駆動電子部品のために使用され、駆動電子部品は、通常、電球のベース内に配置される。さらに、本発明のアレンジメントを用いて、駆動電子部品に必要とされるボリュームは、照明デバイスの光導出及び光源冷却のための面に影響を与えない。照明デバイスがレトロフィットランプを提供するために活用される場合、照明デバイスは、通常、エンベロープに結合されるベースを有し、これは、エジソン型口金又は任意の他の適用可能なベースであってもよい。

本発明の、これら及び他の態様、特徴、並びに有利な点は、下記に説明される実施形態から明らかになり、該実施形態を参照して説明される。

本発明は、ここで、より詳細に添付の図面を参照して説明される。

図１ａは、本発明による照明デバイスの実施形態の部分的に切開した模式的な縦断側面図である。 図１ｂは、本発明による照明デバイスの実施形態の熱拡散器の模式的な斜視側面図の一つである。 図１ｃは、本発明による照明デバイスの実施形態の熱拡散器の模式的な斜視側面図の一つである。 図２ａは、本発明による照明デバイスの実施形態の模式的な斜視拡大側面図である。 図２ｂは、本発明による照明デバイスの実施形態のエンベロープの壁の近接断面図の一つを示す。 図２ｃは、本発明による照明デバイスの実施形態のエンベロープの壁の近接断面図の一つを示す。 図２ｄは、本発明による照明デバイスの実施形態のエンベロープの壁の近接断面図の一つを示す。 図３ａは、本発明による照明デバイスの実施形態の模式的な斜視側面図である。 図３ｂは、本発明の実施形態であって、図３ａに部分的に示される照明デバイスの実施形態と同じ実施形態による照明デバイスのエンベロープの一部の模式的な図である。 図３ｃは、図３ａの照明デバイスのエンベロープの模式的な断面図を示す。 図４は、周囲へのＬＥＤエリアの熱抵抗を示すグラフである。 図５は、本発明による照明デバイスの実施形態のための照明デバイスの温度分布の熱シミュレーションの一つを示す。 図６は、本発明による照明デバイスの実施形態のための照明デバイスの温度分布の熱シミレューションの一つを示す。

ここで、添付の図面を参照して、以下に、本発明はより詳細に説明される。以下の実施形態は、この開示が、完全且つ完璧となり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように、一例として提供される。同様の参照符号は、明細書全体を通して同様のエレメントを指す。

図１ａは、照明デバイス１０、ここでは、内部ボリューム１６を包囲する又は囲むエンベロープ１５を有するレトロフィット電球の部分的に切開した模式的な縦断側面図である。エンベロープ１５は、ベース１８と係合し、該ベースは、ここでは、従来の電球ソケットと使用するためのエジソン型ベースが実装されている。ベース１８は、電源を照明デバイス１０の光源１９を駆動するように構成される駆動回路１７に接続するように構成される。エンベロープ１５は、例えばガラスでできた透明なカプセル化層１１と、ここでは、長さに沿って名目上一定の半径を持つソリッド中空円筒形のボディであるライトガイド１２とを有する。ライトガイドは透明なカプセル化層１１の内側に配置され、該層の大部分を覆う。ここでは銅でできた２００μｍの厚さのシートメタルエレメント１３である熱拡散器が、良好な熱接触を実現するために、ライトガイド１２の内面に接近して位置する。シートメタルエレメント１３の斜視図が図１ｂに示される。シートメタルエレメント1３は、その側面端部１８で閉じ、複数の舌状部１４を備える実質的に円筒に成形されている。この例示的なシートメタルエレメントは、成形されたボディのシンプルな実現を提供するという点で有利である。複数の舌状部１４のばね機能により、これは、エンベロープ内の寸法公差等に対処するシンプルなやり方を提供し、シートメタルエレメントをエンベロープの中に簡単に実装することを提供する。

シートメタルエレメント２３は、照明デバイスの代替的な実施形態であり、図１ｃに示されるように、その側面端部１８で閉じ、図１ｂにおけるシートメタルエレメント１３に示されるような複数の舌状部１４の無い、側壁２４を備える円筒として実質的に成形されている。

再び図１ａを参照すると、この実施形態では、光源１９は、その近位端でライトガイド１２の光入力端１２ｃに配置された複数の光源を有する。任意選択で、半導体光源１９は、ライトガイド内に規定されるそれぞれの開口部、例えばその近位端に配置されるそれぞれのスロット内に配置される。複数の光源１９は好ましくはＬＥＤである。複数の光源は、光源１９からの光がライトガイド１２の近位端で光入力端１２ｃに入り、ライトガイドの中を内部全反射によって伝搬するように配置される。光源１９は、図２ａに例示される照明デバイス２０に示されるように、好ましくは環状に配置されるか、又は、光源が光学的に結合されるライトガイドの光入力端の形状に依存する別の適切なパターンで配置される。

本発明のコンセプトによる照明デバイスの実施形態によると、ライトガイドの外面、図１ａの表面１２ａは、強度プロファイル、すなわちライトガイドからの光出力の強度のバリエーションを強め、制御するための光抽出エレメント（不図示）を備える。光抽出エレメントは、好ましくは、ライトガイドの外面の規定されたエリアに配置される。光抽出エレメントは、所定の光線角度分布及び／又は強度プロファイルで、ライトガイドからの光を抽出するように構成される。光線角度分布は、ライトガイドなどの光放射器から放射された光の光線角度（通常、立体角）に対する強度のバリエーションに関する。いくつかの実施形態では、所定の規定エリアでの光抽出エレメントは、外面上に又は外面中に配置された突出部若しくは刻み目、又はこれらの混合によって提供される。

ここで図２ａを参照すると、照明デバイス２０は、光源１９の駆動電子部品が配置される内部ボリュームを包囲するエンベロープ２５を有する。図２ｂは、エンベロープ２５をより詳細に示す近接断面図である。エンベロープ２５は、光源１９が光学的に結合されるライトガイド２１を有する。シートメタルエレメント２３は、ライトガイド２１の内側に配置され、ライトガイド２１に対して１００μｍの所定の距離ｄ２４で配置される。

図２ｃに示される代替的な実施形態では、エンベロープ３５は、図２ｂを参照して説明されたものと類似するアレンジメントを有する。しかしながら、ここでは光源１９は、シートメタルエレメント３３の表面／ライトガイド２１の内面に対して配置される。各光源１９は、シートメタルエレメント３３に熱的に結合される。この例では、熱的カップリングは、直接接触によってか、又は、光源１９とシートメタルエレメント３３との間に適用される熱伝導性接着剤、サーマルグリース、サーマルコンタクトパッドなどの熱的カップリング剤によって提供される。代替的に、熱的カップリングは、半導体光源によって生じる熱をシートメタルエレメントに伝えるために、ヒートパイプのようないくつかの熱伝導エレメントによって提供される。光源１９は、図２ｃに示されるように、ライトガイド２１の内面に配置されたキャビティ２５に挿入されてもよく、又は、代替的に、光源は、主内面と主外面との間のライトガイドを通して延在する孔に挿入されてもよく、例えば図３の照明デバイス３０と比較すると、光源は、貫通孔及びレンズアレンジメントを介して、プラスチックの包囲体を有するエンベロープを貫通している。代替的な実施形態では、シートメタルエレメントは反射性が高く、ライトガイドと直接的に係合される。

ここで、本発明の実施形態の模式的な図である図２ｄが参照される。示される実施形態では、エンベロープ３５の構成は、図２ｂ及び図２ｃを参照して説明された実施形態のものと類似するアレンジメントを有する。しかしながら、ここでは、一体化されたスペーサエレメント（スペーサ組み込みエレメント）４４を備えるシートメタルエレメント４３が使用される。スペーサエレメント４４は、クリアランス、すなわちシートメタルエレメント４３とライトガイド２１との間の所定の距離ｄ、つまりギャップを形成するために使用される。有利には、クリアランスは、ライトガイド２１とシートメタルエレメント４３との間の光カップリングを防止する。一体化されたスペーサエレメント４４は、シートメタルエレメント４３とライトガイド２１との間の良好な熱的カップリングをさらに提供する。スペーサエレメント４４は、ここで、シートメタルエレメント内の、シートメタルエレメントの表面に分布された小さな突出部によって実現される。示された例では、各突出部は、スペーサエレメント４４とライトガイド２１との間に小さなコンタクトエリアを提供するために尖った先端を有して成形されるのが好ましい。

図３ａは、本発明による照明デバイス３０を模式的に示し、エンベロープは、水平面において三角形の断面を有し、内部ボリュームを包囲するプラスチック包囲体５５を有する。プラスチック包囲体５５の内側に、折り曲げられたプリントカードボード（ＰＣＢ）が配置される。折り曲げられていないプリントＰＣＢが、図３ｂの模式的な平面図において示される。２本の折り曲げ線は、点線で示され、該線に沿って、プラスチック包囲体５５の中に実装される前に、ＰＣＢは折り曲げられる。シートメタルエレメント５３は、ＰＣＢ上に配置される。さらに、光源のクラスタ、つまりＬＥＤ１９がＰＣＢ上に実装される。製造中、ＬＥＤ１９は、（要求される電気絶縁を備える）折り曲げ可能なＰＣＢ上に実装され、駆動電子部品が実装された場合に、折り曲げ可能なＰＣＢが三角形状に折り曲げられることで形成される内部スペース／ボリュームの中に位置付けられることになる当該駆動電子部品に、電線５４を介して接続される（駆動電子部品は図中に視認できない）。折り曲げられたＰＣＢは、その後、プラスチック包囲体５５を有するエンベロープの中に実装される。代替的な実施形態では、プラスチック包囲体５５は、折り曲げ可能なＰＣＢ上に取り付けられるサブポーションを有する。折り曲げられたＰＣＢ上のＬＥＤ１９の位置に対応するプラスチック包囲体５５の位置に、貫通孔及びレンズ３９が配置され、これによって、ＬＥＤは、プラスチック包囲体の貫通孔（不図示）を通って延在することができ、プラスチック包囲体５５の外面にある孔を覆うために配置されたレンズ３９に達する。図３ｃの近接断面図に示されるように、シートメタルエレメント５３は、直接的にプラスチック包囲体５５と係合するように配置され、これによって、レンズ３９の前記複数の光源、例えばＬＥＤからの光を配光するように構成されるエンベロープ５６が形成される。ＰＣＢ及びプラスチック包囲体が取り付けられるため、エンベロープ５６の内面は、少なくともシートメタルエレメント５３によって部分的に覆われる。

照明デバイスの実施形態によれば、照明デバイスの熱的パフォーマンスは、シートメタルの熱伝導性×厚さＫｄによって支配されるパラメータによって決定され、シートメタルエレメントの厚さは、特定のシートメタル材料について選択されるので、熱拡散器エレメントの値Ｋｄの関数として、ＬＥＤエリア（光源が配置されたエリア）から周囲までの熱抵抗Ｒ_ｔｈを示す図４のシミュレーションのグラフを参照されたい。電球のネック領域に配置された光源（ＬＥＤ）を備えるＡ６０標準電球形状については、０．１Ｗ／Ｋ又はこれよりも高い値は、最小の熱抵抗に近い。本発明のコンセプトによる照明デバイスについては、０．１Ｗ／Ｋの値は、２５０μｍの銅、５００μｍのアルミニウム、又は２ｍｍの鉄で達成可能である。

ここで、図５及び図６を参照すると、図１ａに示される本発明のコンセプトの例示的実施形態と類似する基礎構造を備えるＡ６０標準ガラス電球の熱シミュレーションが示される。熱拡散器エレメント１３は、アルミニウムシートメタルである。シミュレーションでは、（図１ａにおけるカプセル化層１１に対応する）ガラス電球の厚さは、０．５ｍｍであり、ライトガイド１２の厚さは２ｍｍであり、熱拡散器エレメントの厚さは０．２ｍｍである。自由燃焼、ベースアップ、及び周囲温度２５℃での２つ極限状態による照明デバイスの温度分布は、以下のようにシミュレーションされる。
第１の極限状態では、図５ａ及び図５ｂに示されるように、８Ｗの熱負荷が電球の内面にわたって全体的に分散され、
第２の極限状態では、図６ａ及び図６ｂに示されるように、８Ｗの熱負荷がガラス電球のネック部の環状エリアに適用される。ここで、シートメタルエレメントＫＤは０．０４Ｗ／Ｋである。

ガラス電球の外面の温度分布を示す図５ａから分かるように、ガラス電球の内壁にわたる熱負荷の均一な分散については、ガラス電球表面は、該電球の上部で最高温度７６℃に達し、ガラス電球のネック部のガラス電球表面で最低温度６８℃に達する。ガラス電球の内面、すなわちシートメタルエレメント上の温度分布が図５ｂに示され、該電球の上部で最高温度７９℃に達し、ガラス電球のネック部のガラス電球内面で最低温度７１℃に達する。

続いて、ガラス電球の外面の温度分布を示す図６ａを参照すると、ガラス電球のネック部での熱負荷の分散については、ガラス電球表面は、ガラス電球のネック部でのガラス電球表面で最高温度１１６℃に達し、該電球の上部で最低温度５９℃に達する。ガラス電球のシートメタルエレメント表面上の温度分布は図６ｂに示され、ガラス電球のネック部のガラス電球内面で最高温度１３１℃に達し、該電球の上部で最低温度６４℃に達する。このシミュレーションでは、シートメタルが有るが、熱負荷は分散されず、従って、熱負荷はネック領域の小さな環に集中する。これは最も悪いケースの状態であるが、最も良いケースの状態は、図５ａ及び図５ｂに示されるように、（配置された光源に対応する）熱負荷を全体的に分散させる。

本発明による照明デバイスに適用可能な半導体光源の例は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、及び有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）を含む。

本発明は、図面及び前述の記載において詳細に図示及び説明されたが、このような図示及び記載は、解説的又は例示的であって限定するものではないと見なされるべきである。すなわち本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。開示された実施形態に対する他のバリエーションは、当業者により、請求項に係る発明を実施する際に、図面、開示内容、及び添付の請求項の精査から理解され、達成され得る。請求項において「有する(comprising)」なる単語は、他の構成エレメント又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は、複数を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に引用されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。コンピュータプログラムは、ハードウェアと共に若しくは他のハードウェアの一部として供給される光記憶媒体又は半導体媒体などの適切な媒体に保存／分配されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線の電気通信システムを介してなどの他の形式で分配されてもよい。請求項における任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (13)

1. 光源と、
   前記光源からの光を配光する外面、及び内部ボリュームを囲む内面を有するエンベロープと、
   を有し、
   前記内面は、シートメタルエレメントによって少なくとも部分的に覆われ、前記シートメタルエレメントは、前記内面から所定の距離で離間され、これによって、前記内面と前記シートメタルエレメントとの間にクリアランスを提供し、
   前記光源の駆動電子部品は、前記内部ボリューム内に配置される、
   照明デバイス。
2. 前記シートメタルエレメントの一部は、前記内面と熱的に結合されている、請求項１に記載の照明デバイス。
3. 前記所定の距離は、１０μｍ〜２００μｍの間で選択される、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
4. 前記所定の距離を提供するための、前記シートメタルエレメントと前記内面との間に配置されるスペーサエレメントをさらに有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の照明デバイス。
5. 前記光源は、複数の光源を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の照明デバイス。
6. 前記光源は各々、前記シートメタルエレメントに熱的に結合する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明デバイス。
7. 前記エンベロープの前記外面は、光抽出エレメントを備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の照明デバイス。
8. 前記光源が前記エンベロープの予め選択されたエリアにわたって配置される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の照明デバイス。
9. 前記エンベロープは、前記光源からの光を受け入れて配光するための、前記光源に光学的に結合されるライトガイドを有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の照明デバイス。
10. 前記ライトガイドは、その近位端の端面に光入力端を備え、前記光入力端に前記光源が配置される、請求項９に記載の照明デバイス。
11. 前記ライトガイドは、フレキシブルである、請求項９又は１０に記載の照明デバイス。
12. 前記エンベロープに結合されるベースをさらに有する、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の照明デバイス。
13. 前記ベースは、エジソン型口金である、請求項１２に記載の照明デバイス。
    

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