CN107978595B - 交通信号灯及*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种交通信号灯及***，包括：灯壳(2)、散热热沉(3)、PCB板(4)、多个LED灯芯(5)、聚光透镜(6)，其中，所述散热热沉(3)固接于所述灯壳(2)内侧，所述PCB板(4)固接于所述散热热沉(3)一侧，所述LED灯芯(5)均匀分布在所述PCB板(4)之上，所述聚光透镜(6)固接于所述灯壳(2)上且设置于所述LED灯芯(5)的出光面一侧。本发明交通信号灯的LED灯芯采用RGB三基色LED灯芯，通过控制装置控制RGB三基色LED灯芯的发光颜色，灵活方便，便于实现；同时通过采用针状散热热沉、铝材料的灯壳、灯壳上设置透气孔、LED灯芯采用球形透镜封装结构来增加散热，降低温度，避免因高温引起交通信号灯的性能下降。
Description
技术领域
本发明属于交通照明技术领域，具体涉及一种交通信号灯及***。
背景技术
随着城市人口的增加和公路设施的完善，交通信号灯作为交通指挥中重要的组成部分，其技术也愈加成熟。
大功率LED交通信号灯以其高亮度、高可靠性、低使用成本、长寿命等特点，得到城市交通管理部门的青睐。现有的LED灯芯大部分是将红黄绿LED分别封装在灯具壳体中，或者是将红黄绿LED均匀分布在灯具壳体中，通过控制LED的接通来发出三种颜色的信号。因此，现有的交通信号灯通常只能显示单一的颜色，随着交通控制技术的发展，单一颜色的交通信号灯已经不能满足需求。
因此，如何提供一种显色丰富、灵活的大功率交通信号灯已经成为研究热点问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种交通信号灯及***。
本发明的一个实施例提供了一种交通信号灯，包括：灯壳2、散热热沉3、PCB板4、多个LED灯芯5、聚光透镜6，其中，所述散热热沉3固接于所述灯壳2内侧，所述PCB板4固接于所述散热热沉3一侧，所述LED灯芯5均匀分布在所述PCB板4之上，所述聚光透镜6固接于所述灯壳2上且设置于所述LED灯芯5的出光面一侧。
在本发明的一个实施例中，所述散热热沉3为针状散热结构。
在本发明的一个实施例中，所述灯壳2采用铝材料。
在本发明的一个实施例中，所述灯壳2上还有均匀分布的透气孔。
在本发明的一个实施例中，所述LED灯芯5为RGB三基色LED灯芯，其中，所述RGB三基色灯芯包括设置于同一个封装结构中的红色LED、绿色LED、蓝色LED。
在本发明的一个实施例中，所述LED灯芯5采用球形透镜封装结构。
在本发明的一个实施例中，所述球形透镜封装结构包括层叠设置的底层结构10和球形透镜结构20，其中，所述底层结构10包括层叠设置的散热基板和芯片。
在本发明的一个实施例中，所述球形透镜结构20设置于所述底层结构10之上，所述球形透镜结构20包括中间透镜层和第二透镜单元22，所述第二透镜单元22设置于所述中间透镜层之上，其中，所述中间透镜层包括多个层叠设置的第一透镜单元21。
在本发明的一个实施例中，所述PCB板3上还包括控制电路，分别与所述红色LED、所述绿色LED、所述蓝色LED电连接，用于控制所述RGB三基色LED灯芯的发光颜色。
本发明另一个实施例提供了一种交通信号灯***，包括：依次连接的接收装置、处理装置、交通信号灯1，其中，所述交通信号灯为上述实施例的交通信号灯1。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明交通信号灯的LED灯芯采用RGB三基色LED灯芯，通过控制装置控制RGB三基色LED灯芯的发光颜色，灵活方便，便于实现。
(2)本发明通过采用针状散热热沉、铝材料的灯壳、灯壳上设置透气孔、LED灯芯采用球形透镜封装结构来增加散热，降低温度，避免因高温引起交通信号灯的性能下降。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种交通信号灯的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种RGB三基色LED灯芯的结构示意图；
图3为本发明实施例介绍的一种交通信号灯***的原理示意图；
图4为本发明实施例提供的一种LED封装结构的剖面结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种斜圆槽散热基板结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种透镜球为菱形均匀排列的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种透镜球为矩形均匀排列的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种LED封装结构的剖面结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种LED封装结构的制备工艺示意图；
图10(a)～图10(d)为本发明实施例提供的制备第一透镜层的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种交通信号灯的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种RGB三基色LED灯芯的结构示意图；该交通信号灯包括：灯壳2、散热热沉3、PCB板4、多个LED灯芯5、聚光透镜6，其中，所述散热热沉3固接于所述灯壳2内侧，所述PCB板4固接于所述散热热沉3一侧，所述LED灯芯5均匀分布在所述PCB板4之上，所述聚光透镜6固接于所述灯壳2上且设置于所述LED灯芯5的出光面一侧。
其中，所述散热热沉3为针状散热结构。其中，针状散热结构可以快速导热，因此，可以加快LED芯片的散热速度。
优选地，所述灯壳2采用铝材料。其中，铝材料散热快，且重量轻。
其中，所述灯壳2上还有均匀分布的透气孔。其中，灯壳中的透气孔能加快散热热沉的热量快速转移到交通信号灯外。
其中，所述LED灯芯5为RGB三基色LED灯芯，其中，所述RGB三基色灯芯包括设置于同一个封装结构中的红色LED、绿色LED、蓝色LED。
其中，所述LED灯芯5采用球形透镜封装结构。
其中，所述球形透镜封装结构包括层叠设置的底层结构10和球形透镜结构，其中，所述底层结构10包括层叠设置的散热基板和芯片。
其中，所述球形透镜结构20设置于所述底层结构10之上，所述球形透镜结构20包括中间透镜层和第二透镜单元22，所述第二透镜单元22设置于所述中间透镜层之上，其中，所述中间透镜层包括多个层叠设置的第一透镜单元21。
其中，所述PCB板4上还包括控制电路，分别与所述红色LED、所述绿色LED、所述蓝色LED电连接，用于控制所述RGB三基色LED灯芯4的发光颜色。
其中，控制电路可以控制每个RGB三基色LED灯芯的发光颜色为红、绿、蓝任意颜色和任意组合。
本实施例交通信号灯采用了RGB三基色LED灯芯，可以通过控制装置控制RGB三基色LED灯芯的发出多种颜色的光，灵活方便，便于实现。同时相比单色LED灯芯其散热问题和发光效率问题都变得严重，为了抑制散热和增强发光效率，本发明实施例则通过采用针状散热热沉、铝材料的灯壳、灯壳上设置透气孔、LED灯芯采用球形硅胶透镜结构的组合结构设计加快散热降低温度，避免因高温引起交通信号灯的性能下降。
实施例二
请参见图3，图3为本发明实施例介绍的交通信号灯***的原理示意图。在上述实施例的基础上，本实施例介绍一种交通信号灯***，包括：依次连接的接收装置、处理装置、交通信号灯1，其中，所述交通信号灯1为上述实施例介绍的交通信号灯。
本实施例交通信号灯***通过接收装置接收图形信号，将图形信号存储到存储装置，通过处理装置生成控制信号，控制装置根据控制信号控制RGB三基色LED灯芯的显示颜色，灵活方便，便于实现，解决了现有交通信号灯显色单一，一旦完成制作显示颜色也即固定的问题。
实施例三
在上述实施例的基础上，本实施例详细介绍的采用球形透镜封装结构的LED芯片使交通信号灯加快散热。
请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种LED球形透镜封装结构的剖面结构示意图，图5为本发明实施例提供的一种斜圆槽散热基板结构示意图；包括：
底层结构10，包括：散热基板和芯片，所述芯片固接于所述散热基板上，其中，所述散热芯片具有斜圆槽表面；
透镜结构20，设置于所述底层结构10之上，所述透镜结构20包括：中间透镜层和第二透镜单元22，所述第二透镜单元22设置于所述中间透镜层之上，其中，所述中间透镜层包括多个层叠设置的第一透镜单元21。
其中，所述芯片为RGB三基色LED灯芯。
其中，所述散热基板表面的斜圆槽与散热基板表面的夹角的取值范围为1～10度。
其中，所述第一透镜单元21包括：第一下硅胶层211、第一透镜层212、第一上硅胶层213，其中，所述第一透镜层212包括多个透镜球。
请参见图6和图7，图6为本发明实施例提供的一种透镜球为菱形均匀排列的结构示意图；图7为本发明实施例提供的一种透镜球为矩形均匀排列的结构示意图，其中，所述多个透镜球呈菱形或者矩形均匀排列在所述第一下硅胶层211和所述第一上硅胶层213内。
其中，所述透镜球的半径R大于10μm。
其中，所述透镜球之间的间距A大于5μm。
其中，所述中间透镜层从所述底层结构到所述第二透镜单元22方向折射率依次递增。
其中，所述第二透镜单元22包括：第二下硅胶层221、第二透镜层222、第二上硅胶层223，其中，所述第一上硅胶层223的上表面为弧形。
其中，所述第二上硅胶层223的折射率小于1.5。
请再次参见图4，下面以中间透镜层含有一个第一透镜单元为例详细介绍对LED球形透镜封装结构的设计参数进行说明。
所述LED球形透镜封装结构包含依次层叠设置的第一下硅胶层211、第一透镜层212、第一上硅胶层213、第二下硅胶层221、第二透镜层222、第二上硅胶层223。
制备第一透镜层212、第一下硅胶层211、第一上硅胶层213、第二下硅胶层221、第二透镜层222、第二上硅胶层223的材料分别为第一硅胶材料、第二硅胶材料、第三硅胶材料、第四硅胶材料、第五硅胶材料、第六硅胶材料。
其中，第一硅胶材料和第五硅胶材料可以相同或者不同，可以为聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂或玻璃。
其中，第二硅胶材料可以为改性环氧树脂、有机硅材料等。
其中，第三硅胶材料、第四硅胶材料可以相同也可以不同，可以为环氧树脂、改性环氧树脂、有机硅材料等。
其中，第六硅胶材料为环氧树脂、改性环氧树脂、有机硅材料、甲基1.41折光率硅橡胶、苯基高折(1.54光折射率)有机硅橡胶。
其中，第一硅胶材料、第二硅胶材料、第三硅胶材料、第四硅胶材料、第五硅胶材料、第六硅胶材料的折射率可以通过对成分的调节进行调整。
为了均衡LED球形透镜封装结构的透光率和散热率均能达到较高状态，相关工艺参数设计如下：
其中，第一透镜层212的折射率大于第一上硅胶层213和第一下硅胶层211的折射率，第二透镜层222的折射率大于第二上硅胶层223和第二下硅胶层221的折射率，第一下硅胶层211、第一上硅胶层213、第二下硅胶层221、第二上硅胶层223的折射率依次增大，这样设计是为了抑制出射光的全发射，因为全反射会导致出射光变少，全反射到内部的光会被吸收变为无用的热量。
同时，第二上硅胶层223的折射率需要小于1.5，这样第二上硅胶层223的折射率与空气之间形成折射率差较小因此会进一步抑制全发射效应。
其中，为了使出射光从第一透镜层212的透镜球出射后不会发散为聚拢状态，第一透镜层212和第二透镜层222的距离K需要满足小于两倍的第一透镜的焦距f1，其中，第一透镜层212中透镜球的焦距f1为：
其中，R是第一透镜层212中透镜球的半径，n2是第一透镜层212中透镜球硅胶材料的折射率，n1是第一上硅胶层213硅胶材料的折射率。
其中，第二上硅胶层223的厚度需要高出第二透镜层222的透镜球顶面50—500μm。
优选地，为了达到最优的透光率并均衡散热率，透镜球半径R大于10μm，第一透镜层212的透镜到底层结构的距离L大于2μm，透镜球之间的间距A大于5μm，封装材料的总厚度H范围为1000～1200μm。
其中，第二上硅胶层223还可以制备为扁平、抛物面、半圆形，其中半球形出光角最大，适合于普通照明应用；抛物面出光角最小，适合于局部照明应用；而扁平形介于两者之间，适合于指示照明。
同理，请参见图8，图8为本发明实施例提供的另一种LED球形透镜封装结构的剖面结构示意图；该LED球形透镜封装结构的中间透镜层具有两个第一透镜单元。
由本发明实施例中间透镜层具有一个第一透镜单元的LED球形透镜封装结构，同理，我们可以得到中间透镜层具有多个第一透镜单元的LED球形透镜封装结构，这里不再一一详述。
因此，采用LED球形透镜封装结构的LED芯片具有以下优点：采用厚铝材料制作散热基板，热容大，导热性能好，且厚铝散热基板不容易变形，因此与散热装置能够紧密接触，散热效果好；在散热基板上制作中间斜圆槽，在强度不变的情况下降低了散热基板的制作成本，且中间斜圆槽可以增加空气流通通道，利用烟囱效应提升空气的热对流速率，增加了散热效果；本封装工艺相比现有技术中需要采用荧光粉的封装工艺相比，不会产生高温引起荧光粉量子效率下降的问题；与芯片接触的硅胶采用耐高温硅胶，因此不会产生硅胶老化引起透光率下降的问题；透镜改变了光的传播方向，可以有效地抑制全反射效应，有利于更多的光发射到LED外面，即增大了LED器件的外量子效率，或者提高LED的发光效率。透镜球可以呈矩形均匀排列，或者菱形排列，可以保证光源的光线在集中区均匀分布；底层硅胶折射率小于上层硅胶，透镜球材料的折射率大于上下层硅胶折射率，硅胶层的折射率从下到上依次增大，可以保证芯片的能够更多的透过封装材料照射出去。
因此，本发明实施例的交通信号灯的RGB三基色LED灯芯因为采用了球形透镜封装结构设计，使灯芯本身散热效果好、发光效率高，再配合外部的散热结构设计，使得交通信号灯整体的散热效果和发光效率均大幅提升。
实施例四
本实施例在上述实施例的基础上，详细介绍一种LED球形透镜封装结构的制作工艺，请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种LED球形透镜封装结构的制备工艺示意图；具体步骤如下：
S31：准备RGB三基色LED灯芯。
请再次参见图2，其中，RGB三基色LED灯芯包括：红光LED、绿光LED、蓝光LED。
S32：准备支架和散热基板。
S321：制备散热基板。请再次参见图5，该散热基板由材料选择铝材料，在散热基板表面沿宽度方向钻孔形成斜圆槽，斜圆槽的形成还可以采用铸造或者其它方式形成。
其中，铝材料热容大，导热效果好，不易变形，与散热基板可以紧密接触，散热效果好。
其中，圆槽中轴与散热基板平面呈一定夹角，夹角范围为1～10度。
其中，散热基板的圆槽半径Rb为0.1～0.5mm，圆槽间距Lb为0.5～10mm。
其中，散热基板厚度Db的范围为90-140μm，芯片宽度Wb大于20μm，面积根据灯具的需求面积进行剪裁。
S322：其中，支架和散热基板必须保持干净，需要将支架和散热基板上面的污渍，尤其是油渍清洗干净，并进行烘干，保持支架和散热基板的干燥状态。
S33：形成底层结构。
按照步骤S22准备好支架和散热基板后，将RGB三基色LED灯芯焊接在散热基板上形成底层结构，并将RGB三基色LED灯芯的引线焊接在散热基板上，采用标准的回流焊接工艺，具体包括：印刷焊料、固晶检验、回流焊接三个处理流程。
S34：制备透镜结构。其中，透镜结构包括一个第一透镜单元组成的中间透镜层和第二透镜单元，其中，第一透镜单元包括：第一下硅胶层、第一透镜层、第一上硅胶层。
S341：制备第一下硅胶层和第一透镜层。请参见图10(a)～图10(d)，图10(a)～图10(d)为本发明实施例提供的制备第一下硅胶层和第一透镜层的工艺流程示意图；
S3411：将两个相同的透镜模具10和透镜模具11对称放置，其中，两个透镜模具中对应的半球形凹槽对称放置以形成一个完整球形。
S3412：从两个透镜模具侧方空隙处注入第一硅胶材料，直至将两个透镜模具上的半球形凹槽和空隙填满，以形成多个透镜球，多个透镜球之间通过第二硅胶相连，请参见图10(a)。
S3413：去掉一个透镜模具，形成带有透镜模具的第一透镜层，请参见图10(b)。
S3414：在所述底层结构上涂覆第二硅胶材料硅胶形成所述第一下硅胶层，将带有第一透镜模具的所述第一透镜层置于所述第一下硅胶层中，将整个结构包括第一透镜层、第一下硅胶层、底层结构进行烘烤，烘烤温度为90～125℃，烘烤时间为15～60分钟，请参见图10(c)。
S3415：去掉剩余的透镜模具以形成第一透镜层，第一透镜层具有多个硅胶透镜球，请参见图10(d)。其中，多个透镜球呈矩形或者菱形均匀排列，请再次参见图6和图7。
S342：形成第一上硅胶层。在第一透镜层上涂覆第三硅胶材料形成第一上硅胶层以形成第一透镜单元即中间透镜层。
其中，中间透镜层包括一个第一透镜单元。
重复步骤S241即可制备含有多个第一透镜单元的中间透镜层，这里不再一一详述。
S343：同理，重复步骤S241分别采用第四硅胶材料和第五硅胶材料分别形成第二下硅胶层和第二透镜层。
S344：形成第二上硅胶层。
在第二透镜层上涂覆第六硅胶材料形成第二上硅胶层，采用半球形模具在第二上硅胶层上形成一个弧形以形成第二透镜单元。
S35：对整个LED球形透镜封装结构进行长烤。
其中，LED球形透镜封装结构包括：依次层叠设置的底层结构21，第一下硅胶层22、第一透镜层23、第一上硅胶层24、第二下硅胶层25、第二透镜层26、第二上硅胶层27。
将整个封装结构：底层结构、第一透镜单元、第二透镜单元进行烘烤，烘烤温度为100-150℃，烘烤时间为4-12小时。
S36：检测和包装。对整个封装结构进行检测和包装以完成LED封装工艺。
由上面中间透镜层具有一个第一透镜单元的LED封装工艺的详细流程，同理，我们可以制备中间透镜层具有多个第一透镜单元的LED封装工艺，这里不再一一详述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种交通信号灯(1)，其特征在于，包括：灯壳(2)、散热热沉(3)、PCB板(4)、多个LED灯芯(5)、聚光透镜(6)，其中，所述散热热沉(3)固接于所述灯壳(2)内侧，所述PCB板(4)固接于所述散热热沉(3)一侧，所述LED灯芯(5)均匀分布在所述PCB板(4)之上，所述聚光透镜(6)固接于所述灯壳(2)上且设置于所述LED灯芯(5)的出光面一侧；所述LED灯芯(5)为RGB三基色LED灯芯，其中，所述RGB三基色灯芯包括设置于同一个封装结构中的红色LED、绿色LED、蓝色LED；其中，
所述LED灯芯(5)采用球形透镜封装结构，所述球形透镜封装结构包括层叠设置的底层结构(10)和球形透镜结构(20)，其中，所述底层结构(10)包括层叠设置的散热基板和芯片；所述球形透镜结构(20)设置于所述底层结构(10)之上，所述球形透镜结构(20)包括中间透镜层和第二透镜单元(22)，所述第二透镜单元(22)设置于所述中间透镜层之上，其中，
其中，所述中间透镜层包括多个层叠设置的第一透镜单元(21)；所述第一透镜单元(21)包括：第一下硅胶层(211)、第一透镜层(212)、第一上硅胶层(213)，其中，所述第一透镜层(212)包括多个透镜球；所述第二透镜单元(22)包括：第二下硅胶层(221)、第二透镜层(222)、第二上硅胶层(223)，所述第一透镜层(212)的折射率大于所述第一上硅胶层(213)和所述第一下硅胶层(211)的折射率，所述第二透镜层(222)的折射率大于所述第二上硅胶层(223)和所述第二下硅胶层(221)的折射率，所述第一下硅胶层(211)、所述第一上硅胶层(213)、所述第二下硅胶层(221)、所述第二上硅胶层(223)的折射率依次增大；所述第二上硅胶层(223)的折射率小于1.5；
其中，所述透镜球的半径R大于10μm，所述透镜球之间的间距A大于5μm，所述球形透镜封装结构的总厚度H范围为1000～1200μm；
所述第一透镜层(212)和所述第二透镜层(222)的距离K小于两倍的所述第一透镜层(212)中透镜球的焦距f1，其中，所述第一透镜层(212)中透镜球的焦距f1为：
其中，R是所述第一透镜层(212)中透镜球的半径，n2是所述第一透镜层(212)中透镜球硅胶材料的折射率，n1是所述第一上硅胶层(213)硅胶材料的折射率。
2.根据权利要求1所述的交通信号灯(1)，其特征在于，所述散热热沉(3)为针状散热结构。
3.根据权利要求1所述的交通信号灯(1)，其特征在于，所述灯壳(2)采用铝材料。
4.根据权利要求1所述的交通信号灯(1)，其特征在于，所述灯壳(2)上还有均匀分布的透气孔。
5.根据权利要求1所述的交通信号灯(1)，其特征在于，所述PCB板(4)上还包括控制电路，分别与所述红色LED、所述绿色LED、所述蓝色LED电连接，用于控制所述RGB三基色LED灯芯的发光颜色。
6.一种交通信号灯***，其特征在于，包括：依次连接的接收装置、处理装置、交通信号灯(1)，其中，所述交通信号灯(1)为如权利要求1～5任一项所述的交通信号灯(1)。
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