专利名称：Led发光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED发光装置，作为在一般性照明等用途中被广泛应用的小型氪气灯泡的替代品来使用时，该LED发光装置不会给使用者造成不适感。
背景技术：
在需求者的环保意识提高的同时，与现有的白炽灯泡相比，具有耗电量低且寿命较长的优点的发光二极管(下称“LED”)，作为节约能源的措施之一，其使用范围迅速扩大， 特别是作为白炽灯的替代品而希望使用安装有LED的LED发光装置的需求高涨。这种需求同样体现在通过封入氪气来提高电灯效率的小型氪气灯泡上。小型氪气灯泡由于其外形尺寸较小，被广泛应用于以枝形吊灯为首的一般性照明等用途。通过以LED 发光装置来替代这些小型氪气灯泡可以期待更好的节能效果。为了满足这种期待而开发了具有光扩散部件的LED发光装置，通过该光扩散部件而使从LED放射出的具有朗伯(Lambertian)型的高指向性的光扩散(例如专利文件1)。如图10所示，专利文件1中的LED发光装置1由LED2、LED支撑体3、光扩散部件 4以及灯罩5构成，其中，该LED支撑体3内置有在支撑该LED2的同时向LED2供给电力的供电部件(未图示)，该光扩散部件4为覆盖LED2的大致呈三角锥形状的中空体。此外，通过在光扩散部件4的外表面或内表面中至少一个面上形成扩散面6(例如，多个同心圆形状的突条)，从LED2中放射出的具有高指向性的光，由该扩散面6扩散且穿透光扩散部件4，然后，透过灯罩5而从LED发光装置1发光。这样，根据专利文件1中的LED发光装置1，由扩散面6将从LED2中放射出的具有指向性的光进行扩散，使具有朗伯型的高指向性的光扩散，能够扩大其配光角。专利文献1 日本实用新型授权登记第3143412号公报
发明内容
但是，在LED发光装置1中，由于是以其内表面来接收从LED2放射出的光的光扩散部件4的整体发光，因此该LED发光装置1不适合作为小型氪气灯泡的替代品。这是因为，小型氪气灯泡的发光位置位于灯丝所在的灯泡中心部(以LED发光装置来说，为灯罩5的中央部)，与此相对，LED发光装置1的发光位置如上所述为光扩散部件 4的整体，即灯罩5中的LED支撑体3 —侧的端部，在以LED发光装置1代替小型氪气灯泡安装在照明器材上使用的情况下，这种“发光位置的不同”给使用者造成不适感。本发明是鉴于以上现有技术中存在的问题而开发的。因此本发明主要的课题在于提供一种LED发光装置，即使代替小型氪气灯泡使用，该LED发光装置也难以因为发光位置的不同而给使用者造成不适感。本发明的技术方案1所记载的发明为，一种LED发光装置10，其特征在于，具有 表面发光型LED12 ；在与所述LED12相对的底面1 上接收由所述LED12放射出的光的透明实心圆锥状的透镜14 ；保持所述LED12和所述透镜14的基座18 ；向所述LED12供电的供电装置20，其中，所述透镜14的高度H与所述底面14a的直径D-满足式1。0. 90 彡 H/Dlens 彡 2. 14...式 1在本发明的LED发光装置10中，透镜的高度H和底面的直径D·满足“0. 90彡H/ Dlens ( 2. 14” (式1)的关系(参见图3)。如上所述，如果H/Dras的范围在0.90以上且2. 14以下，则由于从通过供电装置20 供电的LED12的发光面1 放射出的、从圆锥状的透镜14的底面14a向该透镜14的内部入射的光的大部分，在透镜14的内侧表面至少进行1次内面全反射，因此从外部观察透镜 14时，能看到光发生内面全反射的底面侧端部的侧面14b几乎不发光，仅在透镜14的前端部侧发光。对其理由进行说明，面发光型LED12具有如图4所示的朗伯型的配光分布形式。在该朗伯型的配光分布形式中，在与光轴(=0° )所成角度为士30°的范围内含有从LED12 放射出的全部光的50%，在成士45°的范围内含有全部光的70%，进而在成士60°的范围内更含有全部光的90%。如图5所示，从具有这种特性的LED12中放射出的光，在从底面Ha入射到透镜14 内的时候，依照斯乃尔法则(Snell's Law)而发生折射。在透镜14的材质为聚碳酸酯(折射率=1.58)的情况下，从LED12放射出的与光轴所成角度Q1S3CT的光，从空气(折射率=1)中通过在底面Ha发生折射，以θ 2 = 18. 45°进入透镜14内。H/Dlens的值为0. 90的情况下(图5(a))，透镜14的底面14a与母线14f所成角度 93为60.9°。由此，进入到透镜14的光以入射角θ 4=约42. 5°最初到达透镜14的侧面14b。这里，聚碳酸酯制的透镜14的内表面上的临界角θ。(在该内表面光发生全反射或者折射透过时的边界角度)约为40°。因此，具有比临界角Θ。更大的入射角θ4的光在透镜14的内侧面全反射。另一方面，H/D·的值为2. 14的情况下(图5(b))，透镜14的底面1 与母线14f 所成角度θ3’为76. 8°，进入到透镜14的光以入射角θ4’ =约58.4°最初到达透镜14 的侧面(此外，θ工和θ 2与H/DlENS的值为0. 90时相同。)。因此，H/D·的值为2. 14时， 具有比临界角θ。更大的入射角θ 4’的光也在透镜14的内侧面全反射。如上所述，如果H/1\ens的范围在0. 90以上且在2. 14以下的话，则入射到透镜14 内部的光的大部分在该透镜14的内侧表面至少发生1次内面全反射(=从外部观察时看不到全反射区域正在发光)，因此从外部观察透镜14时，仅在透镜14的前端部侧能看到发光。另外，在图6(a) (h)以及图7(i) (ο)中，示出使H/Dras的值变化时从LED发光装置10放射出的光的远视野图案(Far-field patterns)。各图表中的X轴的中央对应光轴CL中的照度，远离中央的程度表示从光轴CL偏离的位置的照度。在H/D·的值比较小的情况下，形成1个以LED发光装置10的光轴CL为中心的峰。并且随着H/Dras值增大，该中心部的峰值随之下降，同时与光轴CL所成角度比较大的周围光的值增加。另外，在图8中示出使H/1\ENS的值变化时的配光角](左侧轴)以及均勻度 [无量纲](右侧轴)。这里的“均勻度”是指远视野图案(在图6 (a) (h)以及图7(i) (ο))中以照度的最小值(=谷底值)除以照度的最大值(=峰值)所得到的值，该值越接近于1，最大值与最小值的乖离越小(=均勻度越高)。这里，H/D·值小于0. 90时，“均勻度”低于其允许下限值0. 2。而在H/D·值大于2. 14时，如图7(0)所示，光轴CL附近的光强度几乎为零(即从LED发光装置放射出的光的截面形状成为面包圈形)，明显缺乏作为小型氪气灯泡的替代品的发光装置所要求的通用性。本发明的技术方案2中记载的发明为，如技术方案1中的LED发光装置10，其特征在于，“所述直径、在所述LED12上的发光面12a的半径Rmi、所述底面1 与所述发光面1 之间的距离y、在包含有所述底面Ha的中心的平面M上联结所述底面1 的周缘点 A和所述发光面12a的周缘点B的直线与垂直于所述发光面12a的直线所成的角度θ，还满足下述式2”。Dlens = 2Χ (RLED+yXtan θ ) ( θ 彡 45° ) ...式2在本发明的LED发光装置10中，除了上述(式1)的关系以外，由于直径D_、 在LED12上的发光面12a的半径R·、透镜14的底面14a与LED12的发光面1 之间的距离y、在包含有底面14a中心的平面M上联结底面14a的周缘点A和发光面12a的周缘点B的直线与垂直于发光面12a的直线所成的角度θ满足“Dras = 2X (RLED+yXtan θ ) (θ彡45° )”(式2)的关系，因此如上所述，以朗伯型配光分布形式放射出的来自LED12 的全部光中，与光轴CL所成的角度为45°以下的光(即，根据图4，相对全部光而言至少 70%的光)会照射透镜14的底面14a，能够较高地维持光的利用效率。此外，LED 12的发光面12a为圆盘状时，该圆盘的半径为半径R·。而发光面1 为矩形时，将从该矩形的中心到各边的距离中最短的设为半径R·。根据本发明，能够提供如下的LED发光装置由于从LED放射出的光的大部分在透镜的内侧表面至少进行1次内面全反射，从外部观察透镜时，在透镜的底面侧端部几乎不发光，仅在前端部侧能看到发光，因此在代替小型氪气灯泡使用时，该LED发光装置也难以给使用者带来不舒适感，并且从透镜中放射出的光的均勻度高。
图1是示出本发明的LED发光装置的截面图。图2是示出本发明的LED发光装置的立体图。图3是在包含有透镜的底面中心的平面上，对LED尺寸与透镜尺寸的关系进行说明的图。图4是示出面发光型LED的配光分布形式的图。图5是对透镜内的光的入射角度等进行说明的图。图6是示出使H/1\ens的值变化时的、从LED发光装置放射出的光的远视野图案的图。图7是示出使H/1\ens的值变化时的、从LED发光装置放射出的光的远视野图案的图。图8是示出H/D—的值变化时的、配光角与均勻度的图表。图9是示出H/1\ens的值与从LED中放射出的光的利用效率的关系的图表。图10是示出现有技术的图。
附图标记说明10 =LED 发光装置；12 =LED ；12a 发光面；14 透镜；14a 底面；14b 侧面；14c 透镜本体；14d 凸缘部；14e 脚部；14f 母线；16 罩；18 基座；19 灯口 ；19a 侧面部；19b 突设部；19c 绝缘部；20 供电装置；20a 驱动电路；20b 输入侧导线；20c 输出侧导线； 22 上部基座；22a 顶面；22b 槽；22c 盖部；22d 内部空间；24 下部基座；24a 粗径部； 24b 细径部；24c 锥部；26 连通孔；28 小螺丝；30 连通孔。
具体实施例方式通过使用附图来说明本发明适用的LED发光装置10。如图1以及图2所示，LED发光装置10大致包括面发光型LED12、透镜14、以及根据需要设置的罩16、基座18、灯口 19、 供电装置20。LED12为通过施加预定的电压而放射光的半导体元件，安装保持在附图中基座18 的图中上表面。LED12为以圆盘状(当然也可以为矩形)的发光面1 发光的类型，其配光分布形式为如图4所示的所谓的朗伯型。该朗伯型配光分布形式的特征是大部分的光集中在光轴(=0° )及其附近，在与该光轴所成角度为士30°的范围内包含有从LED12放射出的全部光的50%，在成士45°的范围内包含有全部光的70%，进而在成士60°的范围内更包含有全部光的90%。透镜14为具有接收从LED12放射出的光的底面1 的透明实心体，使大致呈圆锥状的透镜本体14c的底面1 与LED12相对(更严格地说，是使得底面1 与LED12的发光面互相平行)地安装于基座18的图中上表面。这里，如图3所示，在本发明的LED发光装置10中，将各尺寸设定为，透镜本体Hc 的高度H和底面14a的直径Dmffi满足“0. 90 ( H/DLENS ( 2. 14”的关系，并且直径D·、在 LED 12上的发光面12a的半径R·、透镜本体14c的底面1 与LED12的发光面1 之间的距离y、在包含有底面Ha的中心的平面M上联结底面1 的周缘点A和发光面12a的周缘点B的直线与垂直于发光面12a的直线所成的角度θ满足“Dmffi = 2Χ (RLED+yXtan θ )， (θ > 45° ) ”的关系(后面将叙述基于这些尺寸而产生的作用效果)。再者，LED12的发光面1 为圆盘状时，该圆盘的半径为半径R·。另外，发光面 1 为矩形时，设从该矩形的中心到各边的距离中最短的为半径R_。。另外，在透镜14的底侧端部周缘上形成有与底面Ha平行延出的凸缘部14d(而且，凸缘部14d的底面虽然与透镜14的底面1 成为同一个面，但是即使是这种情况下， 上述直径Dras也意味着透镜本体14c的底面14a的直径，而不是指包括了凸缘部14d的直径。)，另外，从底面14a向附图中的下方突设有用于将透镜14抵接固定于基座18的上表面的脚部14e。当然，在透镜14中，凸缘部14以及脚部14e并不是必须的构成要素，也可以仅用圆锥状的透镜本体14c来构成透镜14。罩16是根据需要而设的部件，在本实施例中，是以透明玻璃形成的中空的大致球状体将LED12以及透镜14包含于其内部，设置于基座18的上表面。此外，罩16的形状不仅限于球状，也可以是炮弹型那样的曲面体，也可以由多个曲面或者平面的组合来构成。另外，材质也不仅限于透明玻璃，而是可以由其他的透明体来构成，也可以代替透明体而使用具有透光性的材料。另外，“具有透光性”是指，尽管具有透光的性质，但由于透过的光发生扩散从而无法确认该材料的相对侧的形状等。以具有透光性的材料来构成罩16时，在通过罩16时发生扩散的光的一部分朝向基座18的方向(与LED12的发光方向相反的方向)前进，因此更加接近白炽灯(小型氪气灯泡)所放射出的指向性低的光，可以进一步减轻给使用者造成的不适感。基座18保持LED12、透镜14以及罩16，并且其内部收纳有将来自外部的电力供给到LED12的供电装置20，该基座18由上部基座22和下部基座M构成。上部基座22是由金属(例如铝)或陶瓷等以导热性以及放热见长的材料形成的有盖圆筒状体(当然也可以为角筒状体。)，其顶面2 上有用于安装LED12、罩16的槽22b， 同时其盖部22c上设有将上部基座22的内部空间22d和顶面2 侧连通的连通孔26。下部基座M与上部基座22相同，由陶瓷等绝缘体形成，是由粗径部Ma、细径部 24b以及其间的锥部2 构成的非同径柱状体。另外，粗径部Ma的外径形成为比上部基座22的内径稍小，该粗径部2 的绝大部分插设固定于上部基座22的底部(另外，在本实施例中，上部基座22和下部基座M是以小螺丝28来固定的，但也可以用粘接剂等固定来替代)。另一方面，细径部Mb的外周面形成有能够拧入灯口 19的螺丝。进而，在下部基座M形成从粗径部Ma的上表面开始经过锥部Mc内到达细径部Mb的下表面以及侧面的连通孔30，如后文所述，供电装置20的大部分设于该连通孔30。灯口 19为可拧入照明器具等的插口(附图上无表示)的有底筒状体，具有由形成有螺丝的导电材料(例如金属)制的侧面部19a、从底面突设的导电材料制的突设部 19b、以及将侧面部19a与突设部19b间电气性绝缘的绝缘材料制的绝缘部19c。供电装置20是将供给到灯口 19的电力向LED12供给的装置，将施加于灯口 19的电压变压到LED12的驱动电压，并且具有由防止对LED12流动过剩电流的驱动电路20a、 使灯口 19以及驱动电路20a间导通的一对输入侧导线20b、使驱动电路20a以及LED12间导通的一对输出侧导线20c。另外，驱动电路20a设置于下部基座M的连通孔30中在图中上端侧的较宽形成的部分，输入侧导线20b设于该连通孔30的图中下端侧，输出侧导线 20c插通到在上部基座22的盖部22c上形成的连通孔沈中。以下面的工序来举例说明该LED发光装置10的制造。在上部基座22的图中上表面上安装LED12，按照透镜14、罩16的顺序通过粘合剂等来安装，以使该LED12被罩住，在上部基座22的下端插设下部基座M并以小螺丝观固定，使得供电装置20包裹在其中，然后，在下部基座M的下端部安装灯口 19。如上所述，本实施例的LED发光装置10中，透镜本体14c的高度H和底面14a的直径Dlens满足“0. 90 ( H/Dlens ( 2. 14”的关系，并且直径D·、在LED 12中的发光面12a的半径Rmi、透镜本体14c的底面14a以及LED12的发光面12a之间的距离y、在包含有底面 14a的中心的平面M上将底面14a的周缘点A和发光面12a的周缘点B连接的直线与垂直于发光面12a的直线所成的角度θ，满足"Dlens = 2Χ (RLED+yXtan θ )，( θ彡45° ) ”的关系(参见图3)。由此可见，如果H/Dras的范围在0. 90以上且2. 14以下的话，则由于从通过供电装置20供电的LED12的发光面1 放射出的、从圆锥状的透镜14的底面1 入射到该透镜14内部的光的大部分，在透镜14的内侧表面至少发生1次内面全反射，因此从外部来看透镜14时，光发生内面全反射的底面侧端部的侧面14b几乎不发光，仅在透镜14的前端部侧能看到发光。对其理由进行说明，面发光型的LED12具有图4所示的朗伯型的配光分布形式。 在该朗伯型的配光分布形式中，在与光轴(=0° )所成角度为士30°的范围内包含有从LED12放射出的全部光的50%，在成士45°的范围内包含有全部光的70 %，进而在成士60°的范围内更包含有全部光的90%。如图5所示，从具有这样的特性的LED12中放射出的光，在从底面Ha入射到透镜 14内的时候，会依照斯乃尔法则(Snell’ s Law)折射。透镜14的材质为聚碳酸酯(折射率=1.58)时，从LED12放射出的与光轴所成角度Q1SSCT的光，从空气(折射率=1) 中通过，在底面Ha上折射，以θ2 = 18.45°进入透镜14内。H/D·的值为0. 90时(图5(a))，透镜14的底面1 与母线14f所成角度03为 60.9°。由此可见，进入到透镜14的光以入射角θ 4=约42. 5°最初到达透镜14的侧面 14b。这里，聚碳酸酯制透镜14的内表面上的临界角θ。(作为在该内表面上光是发生全反射还是发生折射透过的分界的、角度)约为40°。因此，比临界角θ。大的入射角θ4的光在透镜14的内侧面全反射。另一方面，H/DlENS的值为2. 14时(图5(b))，透镜14的底面14a与母线14f所成角度θ 3’为76. 8°，进入到透镜14的光以入射角θ 4’=约58. 4°首先到达透镜14的侧面(此外，θ工和θ 2与H/DlENS的值为0. 90时相同。)。因此，H/DLENS的值为2. 14时，比临界角θ。大的入射角θ 4’的光也在透镜14的内侧面发生全反射。如上所述，如果H/1\ens的范围在0. 90以上且2. 14以下的话，入射到透镜14内部的光的大部分在该透镜14的内侧表面至少进行1次内面全反射(=从外部观察时看不到全反射区域正在发光)，因此从外部观察透镜14时，仅在透镜14的前端部侧能看到发光。另外，在图6(a) (h)以及图7(i) (ο)中，示出了使H/DlENS的值发生变化时的、从LED发光装置10放射出的光的远视野图案(Far-field patterns)。各图表中X轴的中央与光轴CL中的照度对应，离中央越远，则表示从光轴CL偏离的位置中的照度。在H/D·的值比较小时，形成1个以LED发光装置10的光轴CL为中心的峰。并且随着H/Dras值增大，该中心部的峰的值随之降低，同时与光轴CL所成角度比较大的周围光线的值增加。另外，在图8中表示出使H/Dras的值发生变化时的配光角](左侧轴)以及均勻度[无量纲](右侧轴)。这里的“均勻度”是指远视野图案(在图6(a) (h)以及图 7(i) (ο))中以照度的最大值(=峰值)除照度的最小值(=谷值)所得的值，该值越接近于1，最大值与最小值的乖离就越小(=均勻度越高)。这里，H/D·值小于0. 90时，“均勻度”低于允许下限值0. 2。而在H/D·值大于 2. 14时，如图7(0)所示，光轴CL附近的光强度几乎为零(即从LED发光装置放射出的光的截面形状成为面包圈形)，明显缺乏作为小型氪气灯泡的替代用发光装置所要求的通用性。另夕卜，H/Dlens值也会对从LED放射出的光的利用效率产生影响，如图9的图表所示，如果H/DlENS的范围在0. 90以上、2. 14以下的话，光的利用效率可以维持在90%以上。除此以外，本实施例的LED发光装置10中，由于直径Dras、在LED 12上的发光面12a的半径R·、透镜14的底面1 与LED12的发光面1 之间的距离y、在包含有底面14a中心的平面M上将底面1 的周缘点A和发光面12a的周缘点B联结的直线与垂直于发光面 12a的直线所成的角度θ，满足"Dlens = 2Χ (RLED+yXtan θ )，( θ彡45° )，，的关系，因此如上所述，以朗伯型配光分布形式放射出的来自LED12的全部光中，与光轴CL所成角度为 45°以下的光(即，根据图4，相对全部光而言至少70%的光)会照射透镜14的底面14a， 可以较高地维持的光利用效率。更进一步说，更优选设置为θ >60°。据此，来自LED12 的全部光中，与光轴CL所成的角度为60°以下的光(即，根据图4，相对全部光而言至少 90%的光)可以照射透镜14的底面14a。 由此可见，本实施例可以提供一种LED发光装置10，其由于从LED12放射出的大部分的光在透镜14的内侧表面至少进行1次内面全反射，从外部来看透镜14时，在透镜14 的底面侧端部几乎不发光，仅在前端部侧能看到发光，因此即使代替小型氪气灯泡使用也不给使用者带来不适感，同时，从透镜14中放射出的光的均勻度高，并且从LED12放射出的光的利用效率高。
权利要求
1.一种LED发光装置，其特征在于，具有表面发光型的LED、在与所述LED相对的底面上接收由所述LED放射出的光的透明实心圆锥状的透镜、保持所述LED和所述透镜的基座、以及用于向所述LED供电的供电装置，所述透镜的高度H与所述底面的直径Dras满足式1 : 0. 90 彡 H/DLENS 彡 2. 14 …式 1。
2.根据权利要求1所述的LED发光装置，其特征在于，所述直径、在所述LED中的发光面的半径、所述底面与所述发光面间的距离y、 在包含有所述底面中心的平面上将所述底面的周缘点和所述发光面的周缘点进行连接的直线与垂直于所述发光面的直线所成的角度θ，还满足式2: Dlens = 2X (RLED+yXtan θ )，其中 θ 彡 45° ...式 2。
全文摘要
本发明提供一种LED发光装置，用于解决以下技术问题即使代替现有的小型氪气灯泡使用，也不会给使用者带来不适感。通过将LED发光装置(10)设置为由表面发光型的LED(12)、在从底面(14a)接收来自LED(12)的光的透明实心圆锥状的透镜(14)、基座(18)、供电装置(20)构成，将透镜(14)的高度H与底面(14a)的直径DLENS设定为满足“0.90≤H/DLENS≤2.14”的关系，从而解决上述技术问题。
文档编号F21Y101/02GK102269354SQ20101027892
公开日2011年12月7日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年6月1日
发明者古角晴生, 安德列·卡兹米尔斯基 申请人:凤凰电机公司