专利名称：Led手电筒的制作方法
技术领域：
本发明涉及便携式或电池启动的照明产品，本发明特别涉及手持式电池型手电筒。
背景技术：
在家里、工作场所以及娱乐场合中经常要使用手电筒。普通的手电筒通常包括一个内含易脆白炽灯的头体以及一个用来容纳电池的圆筒体。开关通常安装在圆筒体上，用来接通电池和灯炮之间的电路。头体内有一抛物镜或抛物型反射器，灯泡的灯丝布置在镜面的焦点。如图1A所示，镜面将光线从灯丝向前平行导出，形成有用光束。在某些情况下，这类手电筒还具有O形橡胶圈从而使手电筒形成防水密封。
许多手电筒会长时间的保存不用，用起来时则要求长时间发光而不加爱惜。还有些手电筒使用频繁，甚至会在极端的环境条件如震动和高温条件下使用。不论在什么情况下，手电筒中易脆灯泡的损坏是常有的事，从而使用户无法获得使用光源。有时候时间紧迫，只能换掉整个手电筒，而不仅仅是其中的灯泡，从而使灯泡的损失太大。
如图1B所示，灯丝所产生的光线中(无论向前或向后)最多有50％的光线不会射到抛物镜面上，从而使大量的光线朝着其它方向射出。虽然有时候外周的光线也很有用，但多数情况下只是白白浪费。这种电筒所存在的其它问题还包括电池不能提供长时间的照明，特别是在使用过时或者存贮了一段时间后。还有一个问题是，如果灯丝不能准确布置在抛物镜的焦点上，射到镜面的光线将不能平行导出，从而进一步降低了电筒的使用效率。
因此，需要一种耐用的电筒，其在结构上能长时间提供有用光束，特别是在存贮一段时间之后。本发明能够满足这些以及其它的一些需要，具有许多的优点。
发明内容
本发明提供一种手电筒，其在结构上能够长时间地提供有用光束。该手电筒通常要求低功率，因此在给定数量电池的条件下可以使用更长的时间。由于低功率要求，因此在电池长时间保存后，其会在所能获得的有限功率下发挥作用。
本发明手电筒具有一个高功率、定向LED构造成能产生一发散光束，其特征是该发散光束从顶点延伸出一个方向性角。由于本发明手电筒的照明优选都来自LED，因此其通常具有低功率要求，比白炽灯光束的手电筒更为耐用。
本发明另一个特点是该手电筒包括一透镜，该透镜的第一部分是汇聚的(convergent)，LED在布置成使其顶点与该镜头的焦点重合。该特征可使发散光束聚焦成有用的平行光束，从而有效利用LED发出的有限光束。作为优选，汇聚透镜在尺寸和位置上应使LED发出的所有定向光束基本都能通过汇聚透镜部分从而形成第一平行光束。
本发明的另一特征在于该手电筒还包括一抛物型反射器。LED发出其它的光束通过一末端部，其中该末端就设置在该抛物型反射器的焦点上。该特征的优点是至少其它光束的一些，或优选是其它光束的主要部分都射在抛物型反射器上从而形成第二束平行光。第二束平行光优选通过一优选平面透镜从而不使第二光束的整个方向发生改变。第二光束优选平行并环绕第一光束从而形成一束更为有效的光束。
本发明在手电筒的壳体内还有一个照明组件。该照明组件包括LED和抛物型反射器。该特征有利地能使LED相对于抛物型反射器设置在其优选位置。
结合附图参考以下的详细说明，本发明的其它特征和优点将会更加清楚，这些附图是以举例形式来说明本发明的原理。
图1A是通常的现有技术中普通灯泡所产生的有用光束的示意图；图1B是通常的现有技术中普通灯泡所产生的无用光的示意图；图2是本明手电筒中部件的分解图；图3A是图2中手电筒的正视图；
图3B是图2中手电筒的侧视图；图3C是图2中手电筒的后视图；图4A是图2中手电筒的平面剖视图；图4B是图2中手电筒的立面剖视图；图5是图2中手电筒所用定向LED的侧视图；图6A和6B分别是图2中手电筒所用透镜的前视图和侧视图；图7A是图2中手电筒前部的侧视图，其示出LED发出的定向光束通过透镜后平行射出的情况；图7B是定向LED由于反射而发出的非定向光束的侧视图；图7C是图2中手电筒前部的侧视图，其示出大部分非定向光束被抛物型反射器平行反射的情况；图7D是图2中手电筒前部的侧视图，其示出LED发出的定向光束和大部分非定向光束平行射出的情况；图8为优选的LED的规格。
具体实施例方式
图2、3A-3C以及4A-4B所示为本发明的手电筒10。该手电筒包括前壳体部分12、透镜14、照明组件16、本体18、开关组件20以及后壳体部分22。前壳体部分为中空的圆筒形，其前端32具有一个前向开口30，后端36具有一个带螺纹的后向开口34。后壳体部分也为中空的圆筒形，其前端42具有一个带螺纹的前向开口40，后端46具有一个后向开口44。前壳体部分的后端与后壳体部分的前端在结构上通过螺纹相互连接起来从而形成一个容纳透镜、照明组件、本体和开关组件的中空圆筒形壳体。
手电筒10在结构上具有第一个O形橡胶圈50，其构造成布置在透镜14和前壳体部分12的前端32之间，从而在前向开口30上形成防水密封。同样，手电筒10在结构上还具有一个O形橡帽52，其构造成容纳在透镜开关组件20和后壳体部分22的后端46之间，从而在后向开口44上形成防水密封。此外，该手电筒还在前壳体部分的后端36和后壳体部分22的前端42之间有一个第二O形圈54，从而在前后壳体部分之间形成防水密封。这样，该壳体(前后壳体结合起来)就形成防水密封。
参见图4A、4B和5，照明组件16具有一个高功率、白光LED60。该LED优选是手电筒中的唯一光源，即优选为没有灯泡。该LED具有一个在加电时能产生光线的灯丝62。该LED还具有一个内置的抛物型微反射器63，它将灯丝发出的大部分光束(优选为超过50％)从顶点通过LED的透明末端部66以发散光束64的形式射出，其方向角68优选为20度。该顶点正常情况下就是灯丝的位置。优选为大约有10％的光束从灯丝不经微反射器的反射而直接射入发散光束中。
优选的LED为日本NICHIA CORPORATION公司生产的型号为NSPW500BS高功率白光LED。其包括一个限位器以便LED的定位，其具有优选的光电特性以及优选的光方向性。日本NICHIACORPORATION公司生产的型号为NSPW500BS的高功率白光LED的特性示于图8中。
参见图6，透镜14是一个具有圆形扁平部80的透明体，其中圆形扁平部80环绕同心的圆形汇聚透镜部分82。该汇聚透镜部分形成双凸透镜，其每侧上的焦点为焦点84，每一个焦点是离开该汇聚透镜部分聚焦中心点86的焦距。法兰88围绕扁平部80，给将第一O形橡胶圈50挤压向前壳体部分12之前端32的位置附近的透镜增加刚度(参见图2)。透镜优选由丙烯塑料注模而成。
如图2和7A所示，除了LED60之外，照明组件16包括法兰90、抛物形部分92、支撑臂94以及印刷电路板96，其中印刷电路板安装电路98构造成使LED与手电筒的电池能源相匹配。抛物形部分92的抛物形内表面100为一具有焦点的反射表面，优选为一镜面。同样，照明组件的法兰90的内表面102也为一反射表面，优选为一镜面。
照明组件的法兰90在尺寸和形状上应适于布置在透镜法兰88中并挤靠在透镜圆形扁平部80的外周部分上从而相对于透镜的汇聚透镜部分82定位LED60。特别是，LED的灯丝62应布置在汇聚透镜部分82的焦点84上，发散光束64定心于该透镜的聚焦中心点86。此外，汇聚透镜部分82在尺寸上应优选使该光束的外沿通过汇聚透镜部分，最为优选通过汇聚透镜部分的外周104。换句话说，汇聚透镜的外径D、焦距L以及方向角68之间优选满足以下关系式
D≥2Ltan(A/2)上述关系式最为优选为相等。上述的结构可使LED60产生的发散光束64通过汇聚透镜部分82而成为第一平行光束110，如图7A所示，其直径为D。
如图7B所示，LED灯丝62发出的光线有一些光线不会被微反射器63导向进入发散光束中，并且也不会直接进入发散光束中。相反，在内部反射之后，这些光线会到达透明末端部66并朝着该发散光束之外的方向离开LED60。它们将通过该末端部，并在该位置以非垂直于顶面的方向射出，从而进一步折射一角度到发散光束之外。
参见图7B和7C，侧射光120的大部分从LED60的透明末端部66向抛物形部分92的内反射面内表面100延伸。照明组件16在结构上应使LED的末端部位于抛物面的焦点。这样，向侧面发出并就射到抛物形部分92的内表面100的光线120就反射形成第二平行光束122。
如图7D所示，抛物形部分92的内表面100的大小和位置优选应使第二平行光束122平行于第一平行光束110。同样，抛物形内表面100的大小和位置优选应使正交于导向光束中心的光线124从内表面反射离开，然后穿过汇聚透镜部分82周边104紧外侧的圆形扁平部80。这样，LED产生的大部分光线，优选90％的光线都平行射出成为有用光束。
由于所产生的光线大部分都在有用光束中，因此LED灯丝所发出的全部光线(其通常要少于白炽灯的光线)就足以产生有用光束。此外，LED耗电低，能大大延长电池寿命，在使用两节AA电池时其寿命优选为至少50小时。这大约是普通手电筒电池寿命的20倍。即使在长时间贮存之后，LED也能在电池电力降低的情况下继续发挥功效。此外，由于LED不象白炽灯泡那样易于损坏、短寿，因此手电筒中灯泡的有效寿命更长(可高达约100,000小时)，更为耐用且很少会因使用马虎而损坏。
回到图2、4A和4B，抛物形部分92用支撑臂94相对于印刷电路板96进行固定。LED60直接安装在电路板上，这样支撑臂和电路板都有助于将LED相对于抛物形部分和透镜14进行定位。电路板及其电路98为LED提供电力。
电路板在尺寸及结构上应使其能安装在本体18的容腔128中。电源通过与本体18中触点132相连的引线130送到电路板。本体包括容有两节电池136的腔体134，该腔体内有触点以便与电池接触。
该电路包括有两节电池136、印刷电路板96以及相关电路98，LED60也穿过开关组件20上面的两个触点140。当用户按下橡胶帽52时，橡胶帽52通过后向开口44伸出，开关组件在电路开关之间交替变化，从而使手电筒在“开”、“关”之间变化。
从上可知，本发明提供了一种耐用的手电筒，其能防水防震，并且在结构上能够提供更长时间的有用光束，特别是在贮存一段时间后。尽管上面描述的是本发明的特定形式，但在不脱离本发明构思和范围的基础上还可做出许多变化形式。因此，尽管本发明详细说明仅是参考优选实施例进行的，但本领域的普通技术人员都知道在不脱离本发明的基础上还有许多变化形式。因此，本发明的保护范围由权利要求书来确定。
权利要求
1.一种手电筒，包括一个高功率、定向LED，其在结构上能产生一发散光束，其特征在于该发散光束从顶点延伸具有一个光方向角；一透镜，该透镜至少具有一个汇聚部分，其特征在于具有一个焦点，其中LED设置成使其顶点与该透镜的焦点重合。
2.如权利要求1的手电筒，其中透镜在尺寸和位置上应使从LED发出的所有定向光基本都能通过汇聚透镜从而形成第一平行光束。
3.如权利要求1的手电筒，其中发散光束通过一末端部从LED射出；以及其它光线沿一方向离开LED的末端部在该光束的外侧延伸；以及该手电筒还包括一抛物型反射器，其具有一焦点，其中该抛物型反射器的焦点与LED的末端部的位置重合从而使该抛物型反射器至少将一部分其它光线反射成第二平行光束。
4.如权利要求3的手电筒，其中该透镜包括一个非汇聚部分，该部分在结构上应使通过该透镜非汇聚部分的光线以与射入透镜的角度相同的角度离开透镜；以及第二平行光束平行于第一平行光束。
5.如权利要求4的手电筒，其中该透镜的非汇聚部分环绕在该透镜的汇聚部分周围。
6.如权利要求1的手电筒，其进一步包括一开关；一个或多个电池腔，其在结构上用来容纳电池，该电池腔具有触点，该触点连接在包括LED和开关的电路中，这样在电池腔中安装有电池时该开关就能开闭电路使LED加电或断电；以及一壳体，其在结构上用来封装LED、透镜、开关以及电池腔。
7.一种手电筒，包括一高功率、定向LED，其在结构上能产生一发散光束，其中该发散光束从一末端部分离开LED，其中其它的光线从LED的末端部沿一方向发散在该光束的外侧延伸；一抛物型反射器，其具有一焦点，其中该抛物型反射器的焦点与LED的末端部的位置重合从而使该抛物型反射器至少将一部分其它光线反射成第二平行光束。
8.如权利要求6的手电筒，其中该透镜包括一个非汇聚部分，该部分构造成使穿过该透镜非汇聚部分的光线以与其入射透镜的角度相同的角度离开该透镜。
9.一种照明组件，其用来插入一具有透镜的手电筒中，该组件包括一高功率、定向LED，其构造成能产生一发散光束，其中该发散光束从一末端部离开LED，其中其它的光线沿一方向离开LED的末端部在该光束的外侧延伸；一抛物型反射器，其具有一焦点，其中LED在物理位置上相对于抛物型反射器固定在一位置上，使抛物型反射器的焦点与LED的末端部的位置重合从而使该抛物型反射器至少将一部分其它光线反射成第二平行光束。
10.一种手电筒，包括一照明组件，该照明组件包括有LED、印刷电路板以及一抛物形反射器；其中组部件都安装在印刷电路板上，其中该LED为高功率LED，其具有灯丝、抛物形微反射器以及透明的末端，该LED安装在印刷电路板上，其中该抛物形反射器与印刷电路板相连，并且使抛物形反射器的焦点与透明的末端重合，以及其中该抛物形反射器具有一法兰；一个容纳照明组件的壳体，从而将照明组件包含在该壳体中。
11.如权利要求9的手电筒，其进一步包括一个形成有一个或多个电池腔的本体，这些电池腔在构造成能够容纳一个或多个电池，其中照明组件容纳在本体中；以及该壳体容纳本体部分从而将本体包含在壳体中。
12.如权利要求9的手电筒，其进一步包括一透镜，其中该LED在构造成从其灯丝发光，并且产生一发散光束，其特征在于该散射光束从一顶点延伸具有一个光方向角，同时还产生其它光线，其它光线从LED的末端部发射并沿该发散光束的外侧方向延伸；一透镜，该透镜具有第一汇聚部分，其特征在于具有一焦点，其中该LED在布置成应使其发散光束的顶点与该透镜的焦点重合；该散射光束基本都能通过透镜的第一部分从而形成第一平行光束；该透镜具有一个第二部分，穿过该部分的光线不会改变方向；该抛物型反射器至少将一部分其它光线反射成平行于第一平行光束的第二平行光束。
13.一种手电筒，包括一LED，该LED具有灯丝、抛物形微反射器以及透明的末端部，该LED构造成能从其灯丝发光，并且产生发散光束，其特征在于该散射光束从一末端部延伸具有一个光方向角，该LED构造成还能产生其它光线，其它光线从LED的末端部发射并沿该散射光束外侧的方向延伸；一装置，其用来将发散光束聚焦成第一平行光束；以及一装置，其用来将其它光线聚焦成第二平行光束；其中的第一和第二平行光束彼此平行。
14.一种将LED发出的光线进行聚焦的方法，其中LED具有灯丝、抛物形微反射器以及透明的末端部，该LED构造成能从其灯丝发光，并且产生发散光束，其特征在于该发散光束从一顶点延伸具有一个光方向角，该LED构造成还能产生其它光线，其它光线沿该散射光束的外侧延伸并从LED的末端部发射，该方法包括将散射光束聚焦成第一平行光束；以及将其它光线聚焦成第二平行光束；其中的第一和第二平行光束彼此平行。
全文摘要
一种手电筒，其在结构上能够长时间地提供有用光束。该手电筒具有一个高功率、定向LED(60)，该LED在结构上能产生一散射光束(64)，该散射光束从顶点伸出具有一个光角(68)。该手电筒包括一镜头(14)，该镜头的第一部分为凸透镜(82)，其中LED(60)在布置上应使其顶点与该镜头的焦点重合。该凸透镜在尺寸和位置上应使LED发出的所有定向光束基本都能通过凸透镜部分(82)从而形成第一平行光束(110)。LED(60)通过一尖部(66)发出其它的光束。该尖就布置在抛物型反射器的焦点上，从而使其它光束反射形成第二平行光束(122)。第二平行光束平行并环绕第一光束从而形成一束更为有效的光束。LED(60)和抛物形反射器(92)布置在一照明组件(16)中，照明组件布置在手电筒的壳体(12，18)中从而将LED(60)相对于抛物形反射器(92)固定在优选位置上。
文档编号F21L4/00GK1459014SQ01815816
公开日2003年11月26日 申请日期2001年6月18日 优先权日2000年8月11日
发明者E·尚家明, E·洪遂琼 申请人:布林克曼公司