CN204240090U - 用于提供定向光束的led照明装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及半导体照明技术，特别涉及用于提供定向光束的发光二极管(LED)照明装置。按照本实用新型一个实施例的用于提供定向光束的LED照明装置包括：漏斗状的玻璃灯杯，其具有光滑的内表面；灯头，其附接于所述玻璃灯杯的底部；盘状的金属散热器，其设置于所述玻璃灯杯中并且外表面与所述玻璃灯杯的内表面紧密贴合；LED发光模块，其设置于所述金属散热器的底部；与所述LED发光模块电气连接的LED驱动电源模块，其设置在由所述玻璃灯杯和灯头限定的内腔中并且位于所述金属散热器的下方；以及光学单元，其设置于所述玻璃灯杯的开口处并且面对所述LED发光模块，以将所述LED发光模块发出的光线变换为所需形状的定向光束。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体照明技术，特别涉及用于提供定向光束的发光二极管(LED)照明装置。
背景技术
LED作为一种新型的绿色光源产品，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。
LED是一种固态半导体器件，其基本结构一般包括带引线的支架、设置在支架上的半导体晶片以及将该晶片四周密封起来的封装材料(例如荧光硅胶或环氧树脂)。上述半导体晶片包含有P-N结构，当电流通过时，电子被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后以光子的形式发出能量，而光的波长则是由形成P-N结构的材料决定的。
诸如射灯(又称为多面反射灯杯(MR)灯)和帕灯(又称为碗碟状铝反射(PAR)灯)之类的产生定向光束的照明装置目前被广泛用于商场、KTV、橱窗商品展示以及家庭装修，因此在这类照明装置中采用LED作为光源具有很好的商业前景。但是受到技术发展的限制，LED在工作过程中仍然有相当一部分电能被转换为热能。当热能滞留在灯具内部时，将不可避免导致LED温度升高，从而造成光源性能劣化和失效。在MR灯和PAR灯中，由于热能密度较高，所以如何高效地将LED产生的热量散发到照明装置外部的问题显得尤为突出。
目前业界已经提出了多种将LED作为光源的MR灯和PAR灯。例如Tomislav J.Stimac等人的美国专利No.6,787,999揭示了一种基于LED的组合灯，其作为参考文献，以全文引用的方式包含在本说明书中。该项美国专利所揭示的基于LED的组合灯包括光学模块和电子模块，其中，光学模块包括多个设置在印刷电路板上的LED和散热器(heat sink)，设置有LED的印刷电路板被粘合在散热器的表面；电子模块适于向LED供电，其一端与散热器连接，另一端设置电气接插件以接收外部电能。
需要指出的是，现有的产生定向光束的LED照明装置在结构上较为复杂，而且受散热能力所限，难以在大功率下工作。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种提供定向光束的LED照明装置，其具有结构简单和散热能力强等优点。
按照本实用新型一个实施例的用于提供定向光束的LED照明装置包括：
漏斗状的玻璃灯杯，其具有光滑的内表面；
灯头，其附接于所述玻璃灯杯的底部；
盘状的金属散热器，其设置于所述玻璃灯杯中并且外表面与所述玻璃灯杯的内表面紧密贴合；
LED发光模块，其设置于所述金属散热器的底部；
与所述LED发光模块电气连接的LED驱动电源模块，其设置在由所述玻璃灯杯和灯头限定的内腔中并且位于所述金属散热器的下方；以及
光学单元，其设置于所述玻璃灯杯的开口处并且面对所述LED发光模块，以将所述LED发光模块发出的光线变换为所需形状的定向光束。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，所述玻璃灯杯和灯头分别采用卤素射灯的灯杯和灯头。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，所述灯头的外壳由玻璃材料制成并且与所述玻璃灯杯一体成型。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，通过使所述金属散热器的底部和上部分别抵靠住所述玻璃灯杯的底部和所述光学单元，将所述金属散热器限定在所述玻璃灯杯中。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，所述金属散热器由铝制成并且其表面上形成有含镍的金属层，并且所述玻璃灯杯的内表面上形成有含铝的金属层。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，所述LED发光模块包含：
金属载板，其包括互不连通的第一图案区和第二图案区，其中，所述第一图案区与所述LED驱动模块电气连接，所述第二图案区位于所述第一图案区之间并且固定于所述金属散热器的底部；
一个或多个设置在所述第二图案区的LED管芯，其包含形成于顶部的电极，所述LED管芯通过引线互连和与所述第一图案区电气连接；以及
由绝缘材料制成的框架，其与所述第一和第二图案区固定在一起。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，所述金属散热器的底部形成有通孔，所述第一图案区包含位于所述通孔的内部或上方的部分以实现与所述LED发光模块的电气连接。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，所述金属散热器由铝制成并且其表面上形成有含镍的金属层，所述玻璃灯杯的内表面上形成有含铝的金属层，所述第一和第二图案区由铜制成，并且所述第二图案区的背面形成有含银的金属层以通过焊接实现所述第二图案区固定于所述金属散热器的底部。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，所述光学单元呈碗体状，包括侧壁和凸状体，所述侧壁从上部向下部收窄并且与构成碗体底部的所述凸状体相接，所述凸状体的上表面和下表面中的至少一个为凸面，并且所述上表面和下表面中的至少一个上形成多个突起或凹坑。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，所述侧壁从其与所述凸状体的相接处向下延伸，从而与所述凸状体共同限定出一个凹腔以容纳所述LED发光模块。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，包含覆盖在所述侧壁的外表面上的金属反射层。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，所述多个突起呈鱼鳞状地形成在所述上表面和/或下表面上。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，所述透镜元件呈漏斗形，其底部开设凹腔以容纳所述LED发光模块。
优选地，在上述用于提供定向光束的LED照明装置中，所述透镜元件的外表面上形成有金属反射层。
附图说明
本实用新型的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，附图包括：
图1为按照本实用新型一个实施例的用于提供定向光束的发光二极管照明装置的分解示意图。
图2为图1所示发光二极管照明装置的剖面示意图。
图3为一种用于图1和2所示实施例的LED发光模块的示意图。
图4为图1和2所示实施例中所采用的光学单元的示意图。
图5示出了图4所示光学单元的底部结构。
具体实施方式
下面参照其中图示了本实用新型示意性实施例的附图更为全面地说明本实用新型。但本实用新型可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，以将本实用新型的保护范围更为全面地传达给本领域技术人员。
在本说明书中，除非特别说明，术语“半导体晶圆”指的是在半导体材料(例如硅、砷化镓等)上形成的多个独立的单个电路，“半导体晶片”或“晶片(die)”指的是这种单个电路，而“封装芯片”指的是半导体晶片经过封装后的物理结构，在典型的这种物理结构中，半导体晶片例如被安装在支架上并且用密封材料封装。
术语“发光二极管单元”指的是包含电致发光材料的单元，这种单元的例子包括但不限于P-N结无机半导体发光二极管和有机发光二极管(OLED和聚合物发光二极管(PLED))。
P-N结无机半导体发光二极管可以具有不同的结构形式，例如包括但不限于发光二极管管芯和发光二极管单体。其中，“发光二极管管芯”指的是包含有P-N结构的、具有电致发光能力的半导体晶片，而“发光二极管单体”指的是将管芯封装后形成的物理结构，在典型的这种物理结构中，管芯例如被安装在支架上并且用密封材料封装。
术语“布线”、“布线图案”和“布线层”指的是在绝缘表面上布置的用于元器件间电气连接的导电图案，包括但不限于走线(trace)和孔(如焊盘、元件孔、紧固孔和金属化孔等)。
“电气连接”应当理解为包括在两个单元之间直接传送电能量或电信号的情形，或者经过一个或多个第三单元间接传送电能量或电信号的情形。
“驱动电源”或“LED驱动电源”指的是连接在照明装置外部的交流(AC)或直流(DC)电源与作为光源的发光二极管之间的“电子控制装置”，用于为发光二极管提供所需的电流或电压(例如恒定电流、恒定电压或恒定功率等)。在具体的实施方案中，驱动电源可以模块化的结构实现，例如其包含印刷电路板和一个或多个安装在印刷电路板上并通过布线电气连接在一起的元器件，这些元器件的例子包括但不限于LED驱动控制器芯片、整流芯片、电阻器、电容器、电感器和变压器等。
诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本实用新型的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。
诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。
诸如“物体A设置在物体B的表面”之类的用语应该广义地理解为将物体A直接放置在物体B的表面，或者将物体A放置在与物体B有接触的其它物体的表面。
以下借助附图描述本实用新型的实施例。
图1为按照本实用新型一个实施例的用于提供定向光束的发光二极管(LED)照明装置的分解示意图。图2为图1所示发光二极管照明装置的剖面示意图。
按照图1和2所示的实施例，提供定向光束的LED照明装置1包括玻璃灯杯10、灯头20、金属散热器30、LED发光模块40、LED驱动电源模块50和光学单元60。以下对上述各个单元作进一步的描述。
玻璃灯杯10呈漏斗状，但是这并非必须的。玻璃灯杯10也可以采用其它形状，例如筒形和棱柱形等。在本实施例中，LED驱动电源模块30和LED发光模块40产生的热量以热传导方式传递至玻璃灯杯10，并经玻璃灯杯散发到环境中。由于玻璃对于红外辐射有较高的透射率，因此热量还可以热辐射的方式透过灯杯散发。虽然玻璃灯杯10内表面如图1所示是高低起伏的，但是其也可以是光滑或平滑的表面。
灯头20附接在玻璃灯杯10的底部，其包含外壳210和从外壳底部引出一对金属引脚221、222。灯头20提供了外部电源与LED驱动电源模块30之间的电气接口。在本实施例中，灯头的外壳210采用陶瓷材料制作，但是可选地，其也可以采用玻璃材料制作以实现玻璃灯杯10与外壳210的一体成型。此外，优选地，在本实施例中，灯杯10和灯头20可以直接采用现有卤素射灯的灯杯和灯头。
需要指出的是，在本实施例中，虽然灯头20如图1和2所示采用的是类似于GU10形式的接口，但是其它的接口形式同样适用于本实用新型，它们包括但不限于螺口灯头、插针式灯头和端子接线等。
参见图1和2，金属散热器30呈盘状，其被设置在玻璃灯杯10的内腔中。通过使金属散热器30的底部和上部分别抵靠住玻璃灯杯10的底部和光学单元60，因此即使不借助粘合剂，金属散热器30在玻璃灯杯10中的位置也得以固定。金属散热器30例如可以采用铝之类的金属材料制成。
在本实施例中，如图2所示，金属散热器30的外表面形状与灯杯10的内表面形状匹配，因此金属散热器的外表面与玻璃灯杯的内表面紧密贴合在一起，从而消除或减少二者之间的空隙，显著提高了热传导能力。此外，为了进一步改善热传导效果，可以在由铝制成的金属散热器30的表面上形成一层含镍的金属层(例如通过电镀工艺)，并且在灯杯10的内表面上形成一层含铝的金属层(例如通过蒸铝工艺)，从而减少灯杯10与金属散热器30之间的热阻。
在本实施例中，金属散热器30的底部还开设有通孔311和312以提供LED驱动电源模块50与LED发光模块40的电气连接通道，以下将作进一步的描述。
如图1和2所示，LED发光模块40设置在金属散热器30内部(例如金属散热器的底部)。以下借助图3详细描述LED发光模块40的结构。
如图3所示，LED发光模块40包括多个LED管芯410、金属载板420和框架430。
金属载板420由导热性能优良的金属(例如铜)制成。包括第一图案区421A、421B和位于第一图案区421A、421B之间的第二图案区422。LED管芯410的P型电极和N型电极都设置在管芯的上表面，其下表面例如通过共晶焊接技术被固定于第二图案区422。由于金属良好的导热性能，LED管芯410与第二图案区422之间的热阻接近于零，因此前者产生的热量可以高效地传递给LED发光模块40下面的金属散热器30。框架430由绝缘材料制成，其例如通过注压或注塑工艺与金属载板420固定在一起，并且将LED管芯410包围其中。由于第一和第二图案区都被固定在框架430上，因此它们的相对位置关系得以固定。
如图3所示，第一图案区421A、421B相互之间以及与第二图案区422均不连通，第一图案区421A、421B的每一个包含延伸至框架430外部的电极或输入引脚421A'和421B'以作为LED管芯410与外部的电气接口。
参见图3，LED管芯410通过引线440实现它们之间的互连以及与第一图案区421A、421B的连接，引线例如可以由金、铜、铝或合金材料构成。在本实施例中，LED管芯410以串联方式连接在第一图案区421A、421B之间。需要指出的是，LED管芯之间也可以采用诸如串联、并联或交叉阵列之类的其它连接形式。再者，图3所示的实施例以多个LED管芯为例，然而采用单个LED管芯作为发光元件也是可行的。
为了避免LED管芯410和引线440直接暴露在空气中，可以在框架430内注入透明硅胶以将它们包封起来。如图3所示，由于框架430的设置，硅胶的流动受到限制而仅分布在LED管芯的周围。
可选地，通过用混合荧光粉(例如钇铝石榴石(YAG)荧光粉、氮化物荧光粉、硅酸盐荧光粉和硫化物荧光粉等)的硅胶包围住LED管芯或者在LED管芯的表面依次涂覆荧光粉和硅胶来改变光源组件发出光线的颜色。可选地，荧光粉与透明硅胶的涂覆可以分开来施行，即，先在每个LED管芯410上覆盖荧光粉然后再向框架430内注入透明硅胶。
需要指出的是，由于金属载板420的第一图案区421A、421B包含电极或输入引脚，因此第一图案区都应当与金属散热器30电气绝缘。为此例如可以使输入引脚421A'、421B'分别位于通孔311和312之内或上方，第一图案区的其余部分则设置为其下表面高于第二图案区422的下表面，或者设置为其与金属散热器40之间由框架430相隔。
LED光源模块40与金属散热器30可以采用下列方式结合在一起：首先在金属载板420的第二图案区422的下表面形成含银的金属层(例如通过电镀工艺)，然后通过焊接工艺将第二图案区422固定于表面形成有含镍金属层的金属散热器30的底部。
在本实施例中，金属散热器30的底部形成有通孔311和312，通孔的位置设置为当第二图案区422固定在金属散热器30的底部时，LED发光模块40的输入引脚或电极(例如图3中的输入引脚421A'和421B')分别位于通孔311和312的内部或上方。
在本实施例中，LED驱动电源模块50采用模块化的结构，其包含印刷电路板和一个或多个安装在印刷电路板上并通过布线电气连接在一起的元器件。
如图2所示，LED驱动电源模块50被设置在由玻璃灯杯10和灯头20限定的内腔中并且位于金属散热器30的下方，其包含一对输入引线511、512和一对输出引线521、522。输入引线511、512***灯头20的金属引脚221、222的内腔，这一方面在灯头20与LED驱动电源模块50之间建立电气连接，另一方面还使LED驱动电源模块50的位置得以固定。输出引线521和522分别穿过金属散热器30上开设的通孔311和312并分别与设置在金属散热器30底部的LED发光模块40的输入引脚421A'和421B'电气连接。
可选地，可以在由玻璃灯杯10和灯头20限定的内腔中填充绝缘导热胶，其一方面有助于使LED驱动电源模块50的热量传递至玻璃灯杯10，另一方面也使LED驱动电源模块50的位置更为稳固。
根据外部供电的方式，LED驱动电源模块50可采用各种拓扑架构的电路，例如包括但不限于非隔离降压型拓扑电路结构、反激式拓扑电路结构和半桥LLC拓扑电路结构等。驱动电路可以多种驱动方式(例如恒压供电、恒流供电和恒压恒流供电等方式)向LED发光模块40提供合适的电流或电压。有关驱动电源电路的详细描述可参见人民邮电出版社2011年5月第1版的《LED照明驱动电源与灯具设计》一书，该出版物以全文引用方式包含在本说明书中。
图4为图1和2所示实施例中所采用的光学单元的示意图。图5示出了图4所示光学单元的底部结构。
参见图4和5，在本实施例中，光学单元60呈碗体状，包括侧壁610和构成碗体底部的凸状体620，其中，侧壁610从上向下收窄并且其下部与凸状体620相接。值得指出的是，虽然这里将侧壁610和凸状体620描述为分立的部件，但是二者完全可以视为是一个部件的不同部分，也就是说，侧壁610与凸状体620既可以是分立的部件，也可以是一体成型的。
如图5所示，在本实施例中，优选地，在侧壁610的上端形成翻边611。相应地，在灯杯10的开口处的内表面上形成为翻边611提供支承的台阶110。由此，可以将光学单元60设置在灯杯10的开口上。可以借助粘合剂(例如导热胶)将翻边611固定于台阶110上。光学单元60可以由玻璃或亚克力之类的塑料材料构成。
凸状体620起着透镜元件的作用。如图2所示，设置在灯杯10开口处的光学单元60面对位于金属散热器30底部处的LED发光模块40，因此LED发光模块40发出的光线经凸状体620的汇聚作用被变换为具有所需形状的光束。当在凸状体的上表面和/或下表面上形成突起或凹坑时，能够有效提高凸状体的透光率(例如将透光率提高10％)。为此，如图4和5所示，在凸状体620的上表面621和下表面622上形成有遍布整个表面的鱼鳞状突起。
优选地，参见图2和5，侧壁610在与凸状体620的相接处继续向下延伸，从而与凸状体620共同限定出一个凹腔630，该凹腔适于容纳LED发光模块40。当LED发光模块设置于该凹腔内时，所发出的光线经凸状体620的汇聚作用而形成具有所需形状的光束。凹腔结构使得LED发光模块可以被封闭在一个空间中，这有利于提高出光效率。LED发光模块60发出的光线在凸状体620的汇聚作用下，大部分向外发射出去，但是还有一部分光线将通过侧壁610透射出去而构成光损失。为了提高出光效率，优选地，可在侧壁610的外表面形成金属反射层，因此当光线透过侧壁610之后又被反射回去，由此使更多的光线沿所希望的方向出射。此外，为了形成更佳的反射效果，侧壁610的内表面可以是平滑的曲面。
在本实施例中，可选地，可以通过在凹腔630的内表面上覆盖荧光粉来调整LED照明装置发出光线的颜色。与前述在LED管芯上直接涂覆荧光粉或混合荧光粉的硅胶的方式相比，覆盖在凹腔内表面的荧光粉由于与LED管芯未直接接触，因此受热温度有所降低，从而可延缓荧光粉的老化。
需要指出的是，虽然图4和5所示的是同时在凸状体的两个表面上形成突起的布置，但是在上表面与下表面中的其中一个上形成突起也是可行的。此外，在本实施例中，可以用凹坑替代突起来提高凸状体的透光率。再者，只在上表面和/或下表面的局部区域形成突起或凹坑也可以获得提高透光率的效果。
还值得指出的是，虽然图4和5中所示的凸状体620的上表面和下表面都是凸面，但这并非是必要的。在其它实施例中，凸状体620的上表面和下表面中的一个为凸面也是可行的。
虽然已经展现和讨论了本实用新型的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到：可以在不背离本实用新型原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本实用新型的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。
Claims (10)
1.一种用于提供定向光束的LED照明装置，其特征在于，包括：
漏斗状的玻璃灯杯，其具有光滑的内表面；
灯头，其附接于所述玻璃灯杯的底部；
盘状的金属散热器，其设置于所述玻璃灯杯中并且外表面与所述玻璃灯杯的内表面紧密贴合；
LED发光模块，其设置于所述金属散热器的底部；
与所述LED发光模块电气连接的LED驱动电源模块，其设置在由所述玻璃灯杯和灯头限定的内腔中并且位于所述金属散热器的下方；以及
光学单元，其设置于所述玻璃灯杯的开口处并且面对所述LED发光模块，以将所述LED发光模块发出的光线变换为所需形状的定向光束。
2.如权利要求1所述的用于提供定向光束的LED照明装置，其中，所述玻璃灯杯和灯头分别采用卤素射灯的灯杯和灯头。
3.如权利要求1所述的用于提供定向光束的LED照明装置，其中，所述灯头的外壳由玻璃材料制成并且与所述玻璃灯杯一体成型。
4.如权利要求1所述的用于提供定向光束的LED照明装置，其中，通过使所述金属散热器的底部和上部分别抵靠住所述玻璃灯杯的底部和所述光学单元，将所述金属散热器限定在所述玻璃灯杯中。
5.如权利要求1所述的用于提供定向光束的LED照明装置，其中，所述金属散热器表面上形成有金属层，并且所述玻璃灯杯的内表面上形成有金属层。
6.如权利要求1所述的用于提供定向光束的LED照明装置，其中，所述LED发光模块包含：
金属载板，其包括互不连通的第一图案区和第二图案区，其中，所述第一图案区与所述LED驱动模块电气连接，所述第二图案区位于所述第一图案区之间并且固定于所述金属散热器的底部；
一个或多个设置在所述第二图案区的LED管芯，其包含形成于顶部的电极，所述LED管芯通过引线互连和与所述第一图案区电气连接；以及
由绝缘材料制成的框架，其与所述第一和第二图案区固定在一起。
7.如权利要求6所述的用于提供定向光束的LED照明装置，其中，所述金属散热器的底部形成有通孔，所述第一图案区包含位于所述通孔的内部或上方的部分以实现与所述LED发光模块的电气连接。
8.如权利要求6所述的用于提供定向光束的LED照明装置，其中，所述金属散热器表面上形成有金属层，所述玻璃灯杯的内表面上形成有金属层，并且所述第二图案区的背面形成有金属层以通过焊接实现所述第二图案区固定于所述金属散热器的底部。
9.如权利要求1所述的用于提供定向光束的LED照明装置，其中，所述光学单元呈碗体状，包括侧壁和凸状体，所述侧壁从上部向下部收窄并且与构成碗体底部的所述凸状体相接，所述凸状体的上表面和下表面中的至少一个为凸面，并且所述上表面和下表面中的至少一个上形成多个突起或凹坑。
10.如权利要求9所述的用于提供定向光束的LED照明装置，其中，所述侧壁从其与所述凸状体的相接处向下延伸，从而与所述凸状体共同限定出一个凹腔以容纳所述LED发光模块。
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