发光二极管帽灯的制作方法

专利名称：发光二极管帽灯的制作方法
技术领域：
本申请涉及帽灯，以及其它便携式光源，更特别地，涉及一种用电池提 供能量且以发光二极管为光源的帽灯。
背景技术：
帽灯典型地安装在矿工佩戴的硬质帽子上，为矿工在地底矿井中提供照 明。这样的帽灯在矿业设备行业是熟知的，它可以提供照明，同时矿工的双 手保持自由来完成各项作业。救援人员或是在那些个体人员必须在低可见度 环境下看清楚并且双手还可以从事作业的其它行业中也可能用到帽灯
帽灯典型的是从被固定在使用者腰间的电池包获得能量。电源线将能量 从能量包传递至防护帽上的灯。帽灯典型的是用白炽灯泡作为光源。近来，
应用发光二极管(LEDs)作为光源的帽灯得到了发展。这种帽灯与白炽灯 泡比起来通常能够提供更好的照明。


图l是本发明发光二极管(LED)帽灯的实施例的前透视图2是图1的LED帽灯的后透视图3是图1和图2的LED帽灯的正视图4是沿图3的4-4线截取的图1-3中LED帽灯的剖视图5是图1-4的LED帽灯的分解后透视图6是图1-5的LED帽灯的光学模块的实施例的放大分解前透视图； 图7是图6的光学模块在已装配形态下的前透视图； 图8是图7的已装配的光学模块的俯视图9是图7和图8中已装配的光学模块沿图8中的9-9线截取的剖视图； 图10是图1-5中LED帽灯的控制模块的放大透视图； 图11是图10中电路板的第一实施例的原理图； 图12是图10中电路板的第二实施例的原理图；图13是增加了可互换光学透镜的图1-5中LED帽灯的光学模块的放大
分解前透^L图14是已装配的图13中光学透镜和光学模块的前视图； 图15是图14中已装配的光学透镜和光学模块的俯视图； 图16是图14和图15中已装配的光学模块和光学透镜沿图15的线16-16
截取的剖视图17是本发明的LED帽灯的第二实施例的透视图； 图18是图17中LED帽灯的俯视图19是图17和18的帽灯沿图1的中线19-19截取的剖视图；
具体实施例方式
本发明中发光二极管(LED)帽灯的具体实施例大体上如图1-4中30 所示的那样。尽管在下文中本发明防护帽与帽灯一起用于矿业，但仍可理解 为可应用于别的类型的安全帽和便携式照明。
帽灯30包括壳体32，其包括开口的端部33 (图5)，聚光圈34通过如 图5中36和38所示的螺紋安装在该端部。尽管图示的是螺紋，但所属领域 中已知其它紧固装置，如铰链和卡钩装置、螺钉或其它紧固件，接合片或销 和凹槽装置，都可以作为替换使用。壳体和聚光圈优选用塑料模制。如下面 所详细描述的那样，图1、 2和4中所示的按钮42安装在壳体32的顶部， 并控制帽灯的工作。
如图2和4所示，帽灯包括夹紧装置39用以将帽灯连接至标准矿用防 护帽。因此，帽灯可以容易地夹在标准防护帽的安装附件上。参考图5,夹 紧装置39通过紧固件42a和42b而连接到帽灯的壳体32上。夹紧装置包括 开孔44,帽灯的电源线(未示出)从该孔中通过。
如图5所示，正极再充电触片46和负才及再充电触片48通过螺4丁52a和 52b而安装到帽灯壳体32的下部内。绝缘板54插入到帽灯壳体的下部，以 基本覆盖再充电触片，且覆板56通过紧固件57而被固定到壳体的底部以覆 盖所述绝缘板。覆板包括开孔58,正极再充电触片46的J形部分通过该开 孔伸出，从而使其可以与电池再充电架接合。另外，在覆板56和壳体32底 部之间形成有狭缝，从而使电池再充电架的接合片可以与负极再充电触片板 48接合。正负极再充电触片与用来将电源线与帽灯相连接的螺钉62a和62b电连接。电源线的另一端与电池电源相连，如由宾西法尼亚洲汉诺威镇区的
Koehler-Bright Star, Inc.(开利尔辉煌星光有卩艮公司)生产的WHEAT LI-16 电池。因此，当帽灯被置于再充电架中时，可以对电池进行再充电。正负极 再充电触片可使用多种可替换的结构，以与多个制造上的多种再充电架相适 应。
如图5进一步所示，0形环64被置于壳体螺紋部分的螺紋36上，以便 在安装帽灯后，0形环64处于聚光圈34和壳体32之间以形成密封。
参照图5，控制模块66放置于壳体32内，并且如下面所详细描述的那 样，其控制帽灯的工作。控制模块包括正负极再充电触片68a和68b，其与 螺4丁 62a和62b相接合。如前所述，螺钉62a和62b与电源线相连接并从该 电源线接收能量，电源线与电池相连，使得控制模块接收能量。
再次参照图5(—并参照图4)，顶部安装的按钮42与柱塞钮70相接合， 该柱塞钮进而与作为控制模块66 —部分的多功能开关72接合。与杠杆类型 或滑动类型开关相比，即使手上戴着手套也可以不费力地对按钮42进行操 作。按钮和开关组件包括双密封设计，其包括围绕按钮42外周进行密封的 外部隔膜垫74和围绕柱塞钮70进行密封的内部O形密封件76,以可靠地 防止湿气和污染物进入壳体。当外部隔膜垫遭受冲击时也可作为弹簧/减震器 以保护开关，增加强度，并且要提供必要的作用力以克服由O形密封件所产 生的摩擦力。前后按钮防护板78a和78b分别防止对按钮42的意外搡作。
光学模块，总体上如图5-9中82所示，同样位于帽灯壳体32内，并且 如下面将要详细叙述的那样，与控制模块66电连接。如图6所示，光学模 块包括LED模块84、集成的反射散热器86和绝缘器88。 LED模块84包括 高亮度的LED主灯92、碟状LED插孔板93，以及如图6、 8和9所示，将 能量提供给LED主灯的导线94a和94b。如图6-9所示，LED模块84位于 集成反射散热器86的中心开孔94内。集成反射散热器86优选由例如铝等 材料制造，这可以使其作为LED模块84的散热片使用。如图6-9所示，绝 缘器88优选由热塑性塑料制造，与集成反射散热器86的后部相连接。如图 6所示，绝缘器88包括分别具有孔洞98a和98b的凸起部96a和96b, LED 模块的导线94a和94b从孔洞98a和98b中通过。绝缘器88用于将集成反 射散热器86与控制模块(图5中66)电绝缘，并减少两者之间的热传递。 如图6-9所示，绝缘器88包括一对相对的翼片102a和102b,该对翼片之间形成用来容纳控制模块的开关(图5中72)的空间。
高亮度LED需要有效地去除由二极管产生的热量。集成反射散热器86 利用反射器几何形状的增加的表面面积而有效地起到散热的作用。这样的设 计同样可以减少部件的数量从而可以减少成本且简化组装。
图5和图10中总体以66指示控制模块。如图IO所示，控制模块包括 印刷电路板104、多功能开关72、触片68a和68b。 LED模块插孔106a和 106b、备用LED插孔108a和108b。 LED模块84的导线94a和94b (图6、 8和9 )与LED才莫块插孔106a和106b相接合。
备用LED 110安装在支座112中，该支座优选由塑料制成且安装在印刷 电路板104上。备用LED 110具有与备用LED插孔108a和108b相连接的 导线。备用LED IIO位于形成在集成反射散热器内的凹槽内，如图4、 6、 7 中114所示。
如图4、 5和10中72所示的多功能开关用来选通主高亮LED (图6、 7 和9中92 )或是标准备用LED (图4、 5和10中110 )或是断开。如前所述， 开关72通过图1、 2、 4和5中的按钮42来操作。
图11中示出了图10的控制模块66的印刷电路板104的电路的实施例 的原理图。控制模块的正极触片68a与多功能开关72相连，而负极触片68b 接地。当开关72用来为备用LED提供能量时，电流从线116流向备用LED 110。 乂人备用LED流出的电流流经电阻118a、 118b和118c。
如图11所示，该电路包括一对线性调节器120和122，其并联用以操作 与图11的接线端子124a和124b相连的主LED灯92 (图6、 7和9 )。尽管 可以使用多种调节器，合适的调节器的实例是可从加利福尼亚的米尔皮塔斯 (Milpitas)的Linear Technology购得的型号为LT3080的线性调节器。当多 功能开关72用来点亮主LED灯时，电流分别通过线126和128流到LED 灯，和从LED灯流出。接着电流经由线128和132通过各自的集流管脚流 入调节器120和122。调节器的输出从各自的OUT管脚经由线134和136 以及稳流电阻器138a和138b回到负极触片68b。调节器120和122中的每 一个都包括为调节器的控制电路提供管脚的V,^管脚。调节器120和122 的每一个还包括SET管脚(如图11中140和142所示)，其用作调节器的调 节设定点(regulation set point )。参考电流经参考电阻144到各调节器的SET 管脚从而为调节器提供恒定输出电压。电容器146也连接在SET管脚和接地
12之间，用来提高调节器的瞬态性能。并联的调节器结构比单个调节器效率更
高，并可以使产生的热量在更大的面积上散发，这在对LED灯供能时是一 个重要的考虑。
图12示出了图10的控制模块66的印刷电路板104的电路图的可选实 施例的示意图。图12的实施例提供了智能驱动控制板，其包括用来分别为 主LED92和备用LED110提供恒定电流的多端输入电子LED驱动器152。 由于电子LED驱动器能够自动地调节，以为LED提供正确的电流水平，因 此就没有必要选择电压输入。因此，在准备使用LED帽灯时，电源线可以 简单地连接至3.5-8.5伏的直流电源。从而图12所示电路图允许帽灯与不同 生产商生产的电池相连，而无需进行调节以改变电池电压。
图12所示电路也可以为主LED和备用LED提供恒定电流，以使灯在 电池的放电时间保持输出的基本稳定。相对于通过将控制电路的输入重新配 置为电压设定点的标准电流调节器，该电路可以一个在较大的电压范围内工 作。
参考图12, LED驱动器152例如可以是加利弗尼亚的圣克拉拉(Santa Clara )的National Semiconductor Corporation生产的型号为LM3405A的LED。
自举升压(bootstrap boost)电容器l54分别位于Vb。。a和开关管脚l56、 158之间。自举升压电容与升压齐纳二极管(boost zener diode ) 162 —起用 来产生Vb。。st电压。电容器154之间的电压Vb。。st-V训是LED驱动器152的内 部NMOS功率开关的栅极驱动电压。 一对晶体管164和166用来确定Vb。。st 的确定方式。更具体地，电流通过正极触片68a进入电^各。如果电池电压大 于或等于3.9伏，晶体管164和166均被关断。因此，旁路电容器168和分 流齐纳二极管172与电阻174相连，从而使Vb。。st从Vin (LED驱动器152 的管脚176)通过升压齐纳二极管162而得到。如果电池电压小于3.9伏， 晶体管164和166均被开通。因此，升压齐纳二极管162和齐纳二极管178
与Vin相连，从而Vb。。st从Vin通过分流齐纳二极管172而得到。如果多功能
开关72被设置成操作主LED灯92，则恒定的电流由LED驱动器152通过 开关管脚158和线圏182提供，并通过电阻184设定。如果多功能开关72 -故用来操作备用LED灯110，恒定的电流由LED驱动器152通过开关管脚 158和线圏182提供，并通过电阻186设定。
通过利用更高效的高亮度LED (比如可从加利弗尼亚的圣何塞(SanJose )的Phillips Lumileds Lighting Company得到的，商标为LUXEON的高 亮度LED)以及集成的散热和光学模块，LED帽灯可以在一个更大的电压 输入范围内提供稳定的照明输出。
如图13-16所示，光学模块可选地设置有多个、可互换的光学透镜，图 13中192大体给出了这样的一个例子。如图13所示，光学透镜包括半球面 的透明透镜部分194，其^皮辐条198a、 198b和198c悬挂在环196的中心。 尽管可以使用多种构造工艺，透镜部194、环196和辐条198a-198c优选由 塑料整体模制。辐条的长度决定了透镜部194和主LED灯92的接近程度。 因此，选取合适的光学透镜192，并改变透镜194到主LED灯92的距离， 可以将帽灯产生的光图案由点照明变成泛光照明。例如，将透镜194从主 LED灯92移开增加发射的光图案的直径。这样使用者就可以根据各自的工 作选择最合适的光图案。通过旋松并从壳体32上移去聚光圏34 (图5 ),移 除现有的光学透镜并插入选择好的不同的光学透镜，可方便地对帽灯的光学 透镜进行替换。关于这一特征的其它细节可以参考Rhoads等人的美国专利 No. 6,986,593。
本发明帽灯的另一变形实施例如图17-19中202所示。这一实施例与图 1-10中的实施例不同之处在于聚光圈、集成反射散热器，其分别由204和 206所示(图17-19中的其余部件与图1-10中用同样的附图标记表示)。更 具体地，聚光圈包括围绕其圆周间隔开的通风开孔208。集成的反射散热器 206包括延长的环状边缘部，如图19中210所示。如图19所示，集成的反 射散热器206的环状边缘部210从帽灯的内部腔室延伸出来，并被通风的(通 过通风开孔208 )聚光圈收容(capture),故可暴露在周围的自由空气中。这 样可以有利于散热到大气中，可以提高帽灯的效率。
回到图5，透镜212和垫圈214位于聚光圈34内以形成聚光圈组件。控 制模块66是一单独的印刷电路版和多功能开关组件(如前所述)，该多功能 开关组件通过壳体的开口端(图5中33)而装裁入由帽灯壳体32界定的内 腔而不需要工具。然后光学模块82插入到内部腔室并与自动对准的电学元 件电连接，而不需要工具或紧固件。为了完成帽灯的组装，在控制模块66 和光学模块82被置于在帽灯壳体32内之后，O形环64被置于螺紋部36上， 聚光圈组件通过螺紋36和38而固定在帽灯壳体上，使得各部件/模块能够被 固定和密封在帽灯壳体32内部。从而图1-19中LED帽灯的实施例包括4莫块设计，其中全部内部部件被 构建为容易装配的模块。从而完整的内部组件由两个主要模块组成，其通过 聚光圈组件而被容纳和封闭在帽灯的内部腔室中。这样的模块化设计可以减 少复杂性，提高装配速度，减少产品的整体体积、重量和成本。
尽管已图示和描述了本申请的优选实施例，对本领域技术人员来说明显 可进行改变和变形，而不脱离本发明精神，本发明的范围由附属权利要求所 限定。
权利要求
1. 一种模块化结构的帽灯，包括a)具有开口端的壳体；b)位于壳体内的控制模块，所述控制模块包括开关、电路板和适于从电池接收电能的触片；c)位于壳体内且与控制模块相接合的光学模块，所述光学模块包括主LED灯和反射器；和d)聚光圈组件，其被紧固在壳体上，以覆盖开口端并将控制模块和光学模块固定在帽灯的壳体内。
2. 如权利要求1所述的帽灯，进一步包括连接到帽灯的壳体上的夹紧 装置。
3. 如权利要求1所述的帽灯，进一步包括与控制模块的触片相连的再 充电触片。
4. 如权利要求1所述的帽灯，其中所述聚光圈组件通过螺紋紧固到壳 体上。
5. 如权利要求4所述的帽灯，进一步包括置于壳体的螺紋部上的O形环。
6. 如权利要求l所述的帽灯，其中聚光圈组件包括透镜和环形垫圈。
7. 如权利要求1所述的帽灯，进一步包括位于壳体上的按钮，所述按 钮与控制模块的开关相连，以允许用户通过该按钮配置开关。
8. 如权利要求7所述的帽灯，其中所述开关为多功能开关。
9. 如权利要求8所述的帽灯，进一步包括位于光学模块的反射器内的备用LED,所述备用LED与多功能开关相连，从而可择一地选择主LED灯 或备用LED。
10. 如权利要求7所述的帽灯，进一步包括隔膜垫圈，其相对于帽灯的 壳体而基本密封按钮的周边。
11. 如权利要求10所述的帽灯，进一步包括将按钮连接至开关的柱塞钮。
12. 如权利要求11所述的帽灯，进一步包括围绕柱塞钮布置的内O形环。
13. 如权利要求l所述的帽灯，其中光学模块的反射器用作集成的反射 散热器，且所述光学模块进一步包括位于光学模块和控制模块的电路板之间 的绝缘体。
14. 如权利要求13所述的帽灯，其中集成的反射散热器由铝制成。
15. 如权利要求l所述的帽灯，进一步包括可拆卸的光学透镜，其包括 半球形的透明透镜部、环和多个辐条，该多个辐条在环和透镜部之间延伸， 使得透镜部大体上位于环的中心，所述环的尺寸设置成允许光学透镜被置于 反射器中，且透镜部位于主LED灯的前方，与该主LED灯成间隔开的关系， 以调节由主LED灯产生的光图案。
16. —种帽灯的构造方法，包括以下步骤a) 提供具有开口端的壳体；b) 提供控制模块，其包括开关、电路板和适于从电池接收电能的触片；c) 提供光学模块，其包括主LED灯、插孔板和反射器；d) 提供聚光圈组件；e) 通过壳体的开口端将控制模块插入到壳体中；f) 通过壳体的开口端将光学模块插入壳体并与控制模块相接合；g)将聚光圈组件紧固到壳体上，从而将控制模块和光学模块固定在帽 灯的壳体内。
17. 如权利要求16所述的方法，其中壳体包括围绕开口端的螺紋部， 并且聚光圈組件包括相配合的螺紋，从而聚光圈组件可紧固到壳体上。
18. 如权利要求16所述的方法，其中聚光圈组件包括透镜和垫圏。
19. 如权利要求16所述的方法，其中反射器是集成的散热反射器，并 且光学模块包括与集成的散热反射器的背面相连的绝缘体。
20. 如权利要求19所述的方法，其中集成的散热反射器是由铝制成。
21. —种帽灯，包括a) 壳体；b) 开关，其位于壳体内，且适于从电池接收电能；c) 与开关相连的电路板；d) 位于壳体中的集成的反射散热器，所述集成的反射散热器包括中心 开孔；e) LED模块，其位于集成的反射散热器的中心开孔中，所述LED模块 与电^各板相连；和f) 绝缘体，其位于集成的反射散热器和电路板之间。
22. 如权利要求21所述的帽灯，其中集成的反射散热器是由铝制成。
23. 如权利要求21所述的帽灯，其中集成的反射散热器包括凹槽，并且 进一步包括位于凹槽内且与开关相连的备用LED。
24. 如权利要求23所述的帽灯，进一步包括将备用LED与电路板相连 的支架。
25. 如权利要求21所述的帽灯，其中电路板包括一对调节器，该一对调 节器与开关相连，且并联连接以向LED模块提供电流。
26. 如权利要求21所述的帽灯，其中LED模块包括LED导线，且绝缘 体包括一对凸起部，每一凸起部具有通孔，且接收一条LED导线。
27. 如权利要求21所述的帽灯，其中绝缘体由热塑性塑料制成。
28. 如权利要求21所述的帽灯，其中壳体包括开口端，并且进一步包括 紧固在壳体的开口端上的聚光圏。
29. 如权利要求28所述的帽灯，其中聚光圈包括周向间隔开的多个通风 开孔，使得集成的反射散热器的一部分暴露在周围的空气中用于冷却。
30. 如权利要求29所述的帽灯，其中集成的反射散热器包括邻近多个通 风开孔设置的延伸的环状缘。
31. —种帽灯，包括a) 壳体；b) 开关，其位于壳体内且适于从电池接收电能；c) 与开关相连的电路板；d) 位于壳体内的反射器，所述反射器包括中心开孔；e) LED模块，其位于反射器的中心开孔中，且与电路板相连；并且f) 所述电路板包括与开关相连的一对调节器，该一对调节器并联连接 以向LED模块提供电流。
32. 如权利要求31所述的帽灯，其中开关为多功能开关。
33. 如权利要求32所述的帽灯，进一步包括位于光学模块的反射器内的 备用LED,所述备用LED与多功能开关相连，从而可择一地选择LED模块 的主LED灯或备用LED。
34. 如权利要求33所述的帽灯，其中备用LED通过支架与电路板相连。
35. 如权利要求33所述的帽灯，其中支架由塑料制成。
36. 如权利要求32所述的帽灯，其中反射器包括凹槽，并且备用LED 4立于该凹冲曹内。
37. 如权利要求31所述的帽灯，其中每一个调节器包括SET管脚，且 其中电路板包括与SET管脚相连的参考电阻。
38. 如权利要求37所述的帽灯，进一步包括电容，其与参考电阻并联布 置，且还与SET管脚相连。
39. 如权利要求31所述的帽灯，其中反射器是集成的反射散热器。
40. 如权利要求39所述的帽灯，其中集成的反射散热器由铝制成。
41. 如权利要求39所述的帽灯，其中壳体包括开口端，且进一步包括紧 固在所述壳体开口端上的聚光圏。
42. 如权利要求41所述的帽灯，其中聚光圏包括周向间隔开的多个通风 开孔，从而集成的反射散热器的一部分暴露在周围的空气中用于冷却。
43. 如权利要求42所述的帽灯，其中集成的反射散热器包括邻近多个通 风开孔设置的延伸的环状缘。
44. 一种帽灯，包括a) 壳体；b) 多功能开关，其位于壳体中且适于从电池接收电能；c) 位于壳体内的反射器，所述反射器包括中心开孔；d) 主LED灯，其位于反射器的中心开孔中，且与多功能开关相连；和e) 备用LED，其位于反射器中，且与多功能开关相连。
45. 如权利要求44所述的帽灯，其中反射器包括凹槽，且备用LED位 于该凹冲曹内。
46. 如权利要求44所述的帽灯，其中备用LED通过电路板与多功能开 关相连。
47. 如权利要求46所述的帽灯，进一步包括支架，备用LED通过该支 架安装在电路板上。
48. 如权利要求44所述的帽灯，进一步包括位于壳体上的按钮，所述按 钮与多功能开关相连，以允许用户通过该按钮来配置开关。
49. 一种帽灯，包括a) 壳体；b) 开关，其位于壳体中，且适于从电池接收电能；c) 与开关相连的电路板；d) 位于壳体中的反射器，所述反射器包括中心开孔；e) LED模块，其位于反射器的中心开孔中，且与电路板相连；并且f) 所述电路板包括电路，从而在一定范围的电池电压值时向LED模块 提供恒定电流。
50. 如权利要求49所述的帽灯，其中电路包括LED驱动器。
51. 如权利要求50所述的帽灯，其中电路包括控制LED驱动器的配置 的至少一个晶体管。
52. 如权利要求49所述的帽灯，其中LED模块包括主LED灯。
53. 如权利要求52所述的帽灯，进一步包括备用LED,其位于反射器 内且同样与电路板相连。
54. 如权利要求53所述的帽灯，其中开关是多功能开关，从而用户可以 在备用LED和LED模块的主LED灯之间进行选择。
55. 如权利要求49所述的帽灯，其中电路板包括适于将开关与电池相连 接的触片。
全文摘要
一种发光二极管帽灯包括壳体。控制模块位于壳体内，并且包括多功能开关、电路板和适于从电池接收能量的触片。光学模块同样位于壳体内，且与控制模块相连。光学模块包括发光二极管(LED)模块、集成的反射散热器以及绝缘体。聚光圈被紧固在壳体上，以将控制模块和光学模块固定在帽灯壳体内。按钮位于壳体上且与多功能开关相连。备用LED与多功能开关相连，使得可择一地选择主LED灯或备用LED。
文档编号F21L4/00GK101476673SQ20081019096
公开日2009年7月8日 申请日期2008年12月22日 优先权日2007年12月21日
发明者约翰·德瓦尼, 约翰·科塞克 申请人:开利尔辉煌星光有限公司