【課題を解決するための手段】
【0005】
これら及びあり得る他の目的は、主方向に発光する少なくとも1つのLEDを含むように構成された光源コネクタを備えたハウジングと、ハウジングに接続された反射コリメータであって、コリメータは、熱換気に適したエアスリットによって互いに間隔を空けた複数の反射セグメントを含み、これらのセグメントは、光源によって生成された横断的方向に発せられた光を前記主方向に対して実質的に平行な方向に向けて反射するように構成された反射コリメータとを含む照明デバイスを用いて達成され、この照明デバイスは、前記主方向に対して実質的に平行な方向に向けて光源によって生成された中心に発せられた光をコリメートするように構成された屈折コリメータを含む。
【0006】
本発明は、発明者らによって得られた、コリメータが幾つかの互いに分離した反射セグメントから成る設計を用いる事によって公知の照明デバイスのコンパクトさ及び熱放散を大幅に向上させる事ができるという洞察に基づくものである。これらのセグメントは、基本的に、異なる焦点距離(焦点と放物線の頂点との距離)を有する放物線状の反射外形を有する部分である。これらのセグメントは、隣接するセグメント間にエアスリットが連続して存在するように配置される。このタイプのエアスリットは、ハウジングと、ハウジングに隣接するセグメントとの間にも存在してもよい。但し、後者のタイプのエアスリットは、本発明の機能にとって必須ではない。ハウジングは、光源が上に取り付けられる基板として具現化されてもよい。しかしながら、それは、必要であれば電子機器及び配線と共に光源が内部又は上に配置されるボウル又は箱形状の容器でもよい。屈折コリメータは、好ましくは、光学レンズとして具現化される。特に、例えば光出射窓全体に亘って光を放射する及び反射セグメントのみを含むコリメータとは対照的に、屈折コリメータによって、光ビームの中心部分も主方向と平行な光線として放射される事が達成される。更に、反射セグメントのみを含むコリメータでは、中心セグメント(即ち、光軸又は光軸面に近い)は、主方向とほぼ平行に延在し、従って、前記コリメータが比較的深くなり、その結果、好ましくない高アスペクト比を有する事になる。フレネルレンズは、照明デバイスのコンパクトさを維持するので、最も好ましい。従って、そのようなフレネルレンズが反射コリメータの中心部分上又は内部に配置された場合に、デバイスのアスペクト比は、殆ど又は全く変化しない。
【0007】
好ましくは、反射セグメントは、最も一般的に用いられるリフレクタの形であるので、リング形状、直線、円形、又は多角形の形状である。外側の反射セグメント及び比較的中心の反射セグメントは別として、全て(その他、中間)の反射セグメントは、両面反射セグメントでもよい。両面反射セグメントは、1つのピースとして作られ、両面が反射性である、即ち、通常互いに異なる外形を有した反射性第1の主面及び反射性第2の主面を有する一体型セグメントとして理解されるものである。あるいは、両面セグメントは、互いに方向を変えた非反射面を有する2つ以上の片面反射セグメントの配置及び組み合わせを含み、これらの片面反射セグメントは合わせて、事実上一体型の1つのピースの両面反射セグメントを形成すると理解されるものである。これらの反射セグメントは、ホルダーによって適所に保持される。一般的に、反射コリメータは、以下のように機能する:
−第1の反射セグメントは、その第1の反射主面によって、光源から来る光を一度反射された光として、照明デバイスによってターゲット方向に放射された光ビームの中心軸又は面から更に離れた半径方向にある第2の反射セグメント、即ち、円形の反射セグメントの場合、より大きい全径の反射セグメント上へと反射する;
−対応する第2のセグメントは、その第2の反射主面によって、一度反射された光を二重反射光として、ターゲット領域へのターゲット方向と実質的に平行な方向に反射し、このターゲット方向は、通常、照明デバイスの光軸に相当する。第1及び第2の反射セグメントの傾斜角及び大きさ/サイズは(但し、これは一般的に全ての反射セグメントに当てはまる)、基本的に直接又は反射光線経路の妨害(影形成)が生じず、基本的に全て、即ち、光源からの光の90%を超える、95%を超える、又は98%が捕捉及びコリメートされるように選択される。
【0008】
光学的概念は、例えばLEDでもよいランバート光源からの全ての光を収集及びコリメートする、即ち、コリメーション効率は100%に近づく(比較的小さな反射損失は考慮しない)。光学的概念は、コンパクトなショートアーク高圧ガス放電ランプ又はハロゲン白熱灯を用いた場合でも機能し、それは、そのような均一に発光する光源の半球状立体角よりも大きい角度をカバーするように設計する事ができる。
【0009】
セグメント化されたコリメータの設計により、長い又は深い反射コリメータ本体は不必要である。従って、照明デバイスの「アスペクト比」は、比較的小さく設計する事ができる。また、比較的大きなエアスリットを隣接する反射セグメント間と同様に、反射コリメータとハウジングとの間に設計する事ができる。反射セグメントは、薄くする事ができ、それらの配向により、反射セグメントは、エアフローに対して微小の抵抗を示す。従って、ハウジング及びコリメータによって規定された空間内でLEDによって生成された熱は、これらのエアスリットを通り抜ける空気の対流によって、今度は比較的簡単に周囲に換気する事ができる。従って、本発明の設計は、低アスペクト比及び照明デバイスの前端部において熱放散の為の最適設計を達成する自由を多く与える。
【0010】
以下により詳細に示されるように、本発明の設計の反射コリメータは、特に横断的方向に発せられた光のコリメートに適している。これは、LEDによって発せられる光の主方向から約30°を超える角度離れて発せられた光として理解されるものである。より小さな角度で発せられた光(一般に中心に発せられた光と呼ぶ)は、コリメートされないままとなり得る又は異なる手段によってコリメートされ得る。発せられた光の後者の部分は、本発明に従って設計されたような反射コリメータによって効率的にコリメートする事はできない。「約」という単語は、30°の角度が最適であると考えられるが、この角度は、多少小さく又は大きく選択する事もできる事を示す。前記角度は、25°若しくは35°でもよい、又は20°〜40°の範囲の何れの角度でもよい。「実質的に平行」という表現は、コリメート光が最大で20°、好ましくは最大で10°、及び最も好ましくは最大で5°の偏差で発せられた光の主方向に対して平行である事を意味する。本発明は、1つ又は複数のLEDを恒久的に含む照明デバイス及び光源コネクタにおいてLEDの取り込み又は交換に適応したデバイスの両方において具現化される事が考慮されている。後者のコネクタは、LEDと照明デバイスの電源との電気コンタクトをアレンジする。
【0011】
任意選択的に、光源を通る、反射セグメントを横断する、及びターゲット方向に沿った断面で見た場合、両面反射セグメントは、入れ子構造で配置される。この反射セグメントの配置は、ターゲット方向から増加する軸外角度で発せられた光源からの光線を光出射窓の中心から増加する半径方向距離にある光出射窓から出射させる。アッベの正弦条件と一致して、そのような特徴を実現させるコリメータは、比較的一定の倍率を生み出す。アッベの正弦条件は、レンズ又は他の光学系がターゲット領域において軸外及び軸上の物体の鮮明な像を生み出す為に、それによって満たされなければならない条件である。照明デバイスの場合、これは、パターンの端部における良好なカットオフにつながる。
【0012】
本発明の照明デバイスの興味深い実施形態は、光源コネクタが列に配置された複数のLEDを含むように設計され、反射セグメントは、長手形状を有する及びLEDによって規定された列と実質的に平行に伸びる対で配置されるという特徴を持つ。この実施形態は、所謂「ライン照明」において特に有用である。そのような実施形態では、対のリフレクタセグメントの個々のセグメントは、デバイスの動作中に複数のLEDによって発せられる光ビームの主方向によって規定される「光軸面」の両側に配置される。
【0013】
原則として、複数のLEDは曲線に配置する事ができるが、それらを直線に配置する事が好ましい。後者の設計では、長手方向反射セグメントも、真っすぐな形を有し、この形は、曲線の形よりも簡単に製造する事ができる。LEDの列は、1つの光源位置につき1つのLEDを有するように設計されてもよいが、1つの光源位置につき2つ以上の密接に隣接したLEDを有する列も実現可能である。列に配置されたLEDは、隣接するLEDが直ぐ近くにあるように設計されてもよいが、列上の隣接するLEDは、ある(好ましくは同じ)距離離れてもよい。LEDは、平面上に配置され得るが、段構造上にLEDを配置する事も可能である。
【0014】
本発明の照明デバイスの別の興味深い代替実施形態は、光源コネクタが高密度実装配列で配置された1つ又は複数のLEDを含むように設計され、反射セグメントは、リング形状であるという特徴を持つ。本発明のこの実施形態は、光源がコンパクトディスク状の光源と実質的に似たスポット照明用途にとって特に興味深いものである。前記光源は、単一の高出力LED又は幾つかの近くに共に配置された同様のLEDを含んでもよい。この点において、近い距離で対称的に配置された3つ、4つ、又は7つのLEDを用いたコンパクト設計が好ましい。LEDは、個々のLEDパッケージとして又は所謂チップオンボードアレイとして利用する事ができる。
【0015】
本発明の範囲内で、照明デバイスにおいて様々なリング形状のセグメントを適用する事ができる。従って、多角形、長方形、及び正方形状の反射セグメントを有する反射コリメータが、楕円形状の反射セグメントを含む反射コリメータと同様に、全て実現可能である。しかしながら、好ましいのは、実質的に円形状を有する反射セグメントである。本発明の照明デバイスの後者の設計は、現在人気のあるスポットライト設計に最もよく似ている。言及した形状は、セグメント及びLEDの平均光軸に対して垂直な平面を通る断面によって得られた外形によって規定される。
【0016】
本発明による照明デバイスの更に興味深い実施形態は、デバイスの動作中、光源によって発せられた光が隣接するセグメント間で実質的に少しも漏れ出る事ができない及びあるセグメントから隣接するセグメント上に影が実質的に少しも落ちないように隣接する反射セグメントが配置される事を特徴とする。非反射光がコリメータの隣接するセグメント間のギャップを介して漏れ出る事ができる場合、望ましくない光損失が存在する。リフレクタセグメントの反射面上の影の領域も望ましくない。そのような影は、コリメータ表面の機能部分を減少させる。また、そのような領域の存在は、コリメート光ビームの最大達成可能強度を低下させる。更に、そのような影は、反射コリメータの準最適設計を意味し、リフレクタ材料の不必要な増加及び熱放散の低下につながる。また、反射コリメータが光源と光出射窓との間に部分的に配置されるだけでなく、光軸に沿って上流側から見て、光源を越えて部分的に配置される本発明による照明デバイスが構想される。この実施形態は、基本的にコリメートされた二重反射光の平行光線のみが照明デバイスから放射されるという利点を持つ。
【0017】
同様に興味深いのは、反射セグメントの反射面が曲線を描くという発明的特徴を有する照明デバイスである。セグメントの反射面が平坦である又はより好ましくは平坦なファセットを有した多面構造を有する場合に、LEDによって発せられた光の実質的なコリメーションが既に得られている事に留意されたい。しかしながら、反射面が曲線を描く場合に向上したコリメーションが得られる。曲面の外形は円形でもよいが、放物線状の外形が、そのような外形が理論上最大コリメーションを提供する事ができるので好ましい。後者の実施形態では、様々なセグメントの反射面は、異なる焦点距離を有する点で互いに異なる一連の放物線の部分を形成する。これらのセグメント部分は、それらの焦点(リング形状コリメータの場合)又は焦線(長手形状コリメータの場合)が一致するように配置される。後者の設計では、光源は、そのように配置されたリフレクタセグメントの焦点又は焦線に配置されるべきである。
【0018】
断面における、即ちそれらの長手方向を横断する反射セグメント部分の外形は、直線状、楕円状、又は放物線状と選択する事ができるが、2つの非球面プロファイルが、特に幅のある光源用に設計される場合に特定の利点を有する。追加的又は代替的に、反射セグメント上に例えばミラーセグメンテーション又はファセットのオーバーレイ構造を設ける事もできる。この構造は、各反射セグメントの外形からの逸脱又は半径方向及び回転方向の両方におけるファセット化でもよい。反射セグメントの反射面の少なくとも一部が反射ファセットを含む本発明の照明デバイスの実施形態にも関心が向けられる。これらのファセットは、平坦でもよい又は1つ若しくは2つの方向の湾曲を有してもよい。それらは、凹面又は凸面でもよい。このようなファセットは、LEDによって生成されるコリメートビームの均一性を向上させる、ビーム成形の微調整を行う、及び/又は光パターンの色混合を行う事ができる。異なる波長の放射を発するLEDが使用される場合、そのようなファセットは、照明デバイスによって発せられる光ビームにおける色混合を向上させる事ができる。反射セグメントに含まれるファセットが半径方向及び回転方向の両方に延在する場合に、最も高いビーム均一性及び色混合が得られる。
【0019】
本発明の照明デバイスの別の魅力的な実施形態は、リフレクタセグメントの反射面が半径方向に延在するTIR溝を含む光学的に透明な誘電材料から成る事を特徴とする。そのような設計では、反射面に当たる光線は、リフレクタの前面において第1の屈折、その後、1つの溝表面で第1の全内部反射(=TIR:total internal reflection)、次に、1つの溝表面で第2の全内部反射、及び最後に回転された前面において第2の屈折を受ける。溝表面の各対が実質的に90°の角度を形成するようにTIR溝が形成される場合、説明したようなビームの軌跡は、基本的に、単一の鏡面反射と同じ様に作用する。
【0020】
先に詳述したように、中心に発せられた光は、主方向から約30°以下の小角度で光源によって発せられた光として理解されるものである。そのような光は、本発明の照明デバイスのリフレクタセグメントによってコリメートする事が難しい。そのような光のコリメーションは、セグメントの反射面に対する非常に小さな反射角度を意味する。また、発せられた光のこの部分を反射する為に必要な隣接するセグメントの配置は、互いに非常に近くあるべきである。これを考慮して、LEDによって発せられたような光の中心部分をコリメートする為のレンズ等の屈折素子の使用が好ましい。「約」という単語は、30°の角度が最適であると考えられるが、この角度は、多少小さく又は大きく選択する事もできる事を示す。前記角度は、25°若しくは35°でもよい、又は20°〜60°の範囲の何れの角度でもよい。「実質的に平行」という表現は、コリメート光が最大で20°、好ましくは最大で10°、最も好ましくは最大で5°の偏差で発せられた光の主方向に対して平行である事を意味する。
【0021】
本発明の照明デバイスの興味深い別の実施形態は、デバイスの少なくとも1つのLEDは、接続手段を介して反射セグメントと熱的に接続され、反射セグメント及び接続手段は、熱伝導性材料を含むという特徴を持つ。この実施形態の特徴は、LEDによって生成された熱の反射セグメントへの効率的な伝達を可能にする。この伝達された熱は、後に、空気の対流によって放散する事ができ、この流れは、開放されたエアギャップを通って簡単にリフレクタセグメントを通過する事ができる。セグメントを通過する間に、それらは、セグメントの熱を奪い、それを外部に分配する事ができる。
【0022】
複数の反射セグメントは、幾つかの接続手段によって光源に対して正しい位置及び配向に維持される。実際には、これらの接続手段はまた、隣接する反射セグメントを互いに安定した及び正しい位置に維持する。これらの接続手段は更に、通常、LEDが上に配置されるLED基板、LEDサブマウント及び/又は別個のヒートシンクとして具現化され得るデバイスのハウジングによって、セグメント及びLEDを接続する。接続手段の数及びタイプは、長手方向又はリング形状リフレクタセグメントの寸法に従属する。実際には、リング形状コリメータを有する照明デバイスにおいて、2つ、3つ又は4つの対称配置された接続手段が使用される。長手方向形状を有する反射セグメントを有する照明デバイスにおける接続手段の数は、これらのセグメントの長さによって決まる。接続手段によって占められる投影面積は、エアギャップによって規定される空間と比較して小さく、一般的に10%未満及びより一般的には2%未満である。従って、エアギャップを通る対流による熱放散は、これらの接続手段の存在に殆ど又は全く影響を受けない。また、光学的発光も接続手段の存在によってごく僅かに影響を受ける。
【0023】
原則として、反射セグメント及び接続手段の両方に対して、異なるタイプの材料を使用する事ができる。従って、プラスチックのセグメントが実現可能である。そのような材料は、通常、熱輸送特性を持たない。従って、金属のセグメントが、それらがはるかに良好な熱輸送特性を持つので好ましい。一般的に、少なくとも大部分が銅、アルミニウム又はそれらの合金から成るセグメント及び接続手段が、特にそれらの優れた熱伝達特性の観点から、本発明の照明デバイスの本実施形態において特に適していると思われる。
【0024】
本発明の更に興味深い実施形態は、接続手段がヒートパイプを含むという特徴を持つ。ヒートパイプでは、ヒートパイプ内に捕捉された作動液を気化させる事によって、熱が高温端において吸収される。結果として生じた気体は、ヒートパイプの低温側で液化し、そこに潜熱を堆積させる。毛細管力及び気体の対流は、固体金属の熱導体を用いた場合得る事のできない非常に高い熱伝達を提供する大量輸送力である。そのようなヒートパイプの存在は、LEDから反射コリメータセグメントへの熱伝達を大幅に増加させる事ができる。
【0025】
本発明の照明デバイスの別の向上した実施形態は、それが反射セグメントに沿って強制エアフローを生成する手段を含むという特徴を持つ。この方策は、照明デバイスにおいてLEDによって生成された熱の大幅に増加された放散を生じさせる事ができる。この方策の適用は、LED基板及び/又は反射セグメントによって加熱された空気の受動的対流が不十分な熱放散をもたらす場合に必要とされ得る。強制エアフローは、吹き込み又は吸引によって生成されてもよい。従って、反射セグメント間のエアスリットを通して加熱された空気をハウジングから外へ吹き出す事ができ、それによって、空気の取り入れが照明デバイスの背面で生じ得る。異なる実施形態では、エアフローが反転され、コリメータ側から空気を吸引し、加熱された空気を照明デバイスの背面へと吹き出してもよい。更に別の実施形態では、冷たい空気が反射セグメント間のエアスリットの幾つかを通して吸引されてもよいのに対して、加熱された空気は、他の反射セグメント間から吹き出されてもよい。強制エアフローは、好ましくは、照明デバイスにおいて具現化され得るファン等の効率的なエアムーバー、ブロワー又はシンセティックジェットを用いて実現される。そのような強制エアフローは、LED及びドライバ電子機器の特性がLEDによって生成された熱によって悪影響を受けないように、熱を十分に放散させる事ができる。
【0026】
本発明の別の興味深い実施形態は、光源コネクタが少なくとも1つのLEDを含むという特徴を持つ。このLEDは、光源コネクタに恒久的に取り付けられてもよい又は取り外し可能若しくは交換可能でもよい。白色光(蛍光体コーティングされた)LED又は異なる波長で照射するLED等の様々なタイプのLEDを適用する事ができる。低出力及び高出力LEDの両方を本発明の中で使用する事ができる。
【0027】
任意選択的に、隣接する反射セグメントは、動作中に、光源によって発せられた光が反射される事なく前記隣接するセグメント間を伝搬する事が基本的にできない(例えば10%以下、5%以下、又は2%以下)及び影が前記光源からの光によってあるセグメントから隣接するセグメント上に基本的に落ちない(例えば、セグメントの照明された領域の10%以下、5%以下、又は2%以下の表面率)ように配置される。従って、反射セグメント間の光学ギャップを通って逃げる非反射光の望ましくない光損失が妨げられる。隣接する反射セグメントの反射セグメント上の影の領域はまた、そのような影が反射セグメント及び引いてはコリメータの機能部分を減少させるので望ましくない。また、そのような影の領域の存在は、コリメート光ビームの最大達成可能強度を低下させる。更に、そのような影の領域は、反射コリメータの準最適設計を意味し、リフレクタ材料の不必要な増加につながる。
【0028】
照明デバイスは、予め組み込まれた及び恒久的にベース上に固定された光源を含む一体型照明デバイスでもよく、コリメータを備えた光源が照明デバイス内で予めアライメントされるという利点を提供する。あるいは、それは、簡単にアライメント可能な光源の場合、別個の光源がベース上に取り付けられ、任意選択的にそれから取り外し可能でもある非一体型照明デバイスでもよい。
【0029】
本発明は更に、本発明による少なくとも1つの照明デバイスを含む照明器具に関する。一般的に、そのような照明器具は、照明デバイスの隣に、ハウジング及びそれを配電線に接続する為のベースとしての少なくとも1つの電気コンタクトを含む。好ましくは、照明器具は、少なくとも2つの照明デバイスを含み、各々がそれぞれのターゲット発光方向を有し、前記それぞれのターゲット発光方向の少なくとも2つが同じ又は異なる。照明デバイスが同じターゲット方向を有する場合、高輝度スポット照明を得る事ができる。各照明デバイスのターゲット方向が互いに異なる場合、所望の配光又は光パターンを得る事ができる。
【0030】
本発明は、照明デバイスの製造方法にも関する。この方法は、1)反射コリメータの反射セグメント、接続手段、及び任意選択的に屈折コリメータを製造するステップと、2)反射セグメント、接続手段、及び任意選択的に屈折コリメータをコリメータ部品として位置決め及び接続するステップと、3)コリメータ部品をLEDに対してアライメント及び接続するステップとを含む。これらの異なる部品は、後で接続及びアライメントされる個々の部品として製造する事ができる。従って、屈折コリメータは、ガラス又はプラスチックのフレネルレンズとして、例えば射出成形によって製造されてもよい。接続手段は、プラスチックから例えば射出成形によって、又は好ましくは熱伝導性材料から例えば厚い金属シートのダイカスト若しくはスタンピングによって、「スパイダーアーム」として製造されてもよい。反射コリメータセグメントは、例えば射出成形及び後続の例えばアルミニウム又は銀の様な金属による反射面のメタライズによって、プラスチックから製造されてもよい。セグメントは、好ましくは、反射シート又はスラットからのスタンピング又は深絞りによって、アルミニウム又はアルミニウム合金の様な金属から製造される。これらの3つのタイプのコリメータ部品は、本発明による照明デバイスを形成する為に、後にスナップイン機構によって接続され得る又は共にLEDと光学的にアライメントされ得る。
【0031】
本発明の照明デバイスを製造する好ましい方法は、射出成形によって、反射コリメータセグメント、接続手段、及び任意選択的に屈折コリメータが単一のステップで製造されるという特徴を持つ。そのような1つのステップでの単一のピースとしてのコリメータ部品の製造は、特に大量生産設備において有用である。3つ(又は照明デバイスにおいて屈折コリメータが利用できない場合には2つ)の同時形成されたコリメータ素子は、後で互いにアライメントされる必要はないが、完成した照明デバイスを製造する為には、LEDとアライメントされる必要がある。射出成形は、プラスチックの様な光学的に透明な誘電材料を用いて行われてもよい。成形された部分は、特に反射コリメータセグメントの反射面上で、例えばアルミニウム又は銀の金属蒸発によってメタライズされる必要がある。メタライズの間に、屈折コリメータ(例えばフレネルレンズとして形成された)を例えばこのコリメータ素子をマスキングする事によってメタライズを受けないようにする事が必須である。単一ステップでの反射コリメータセグメント及び接続手段の製造並びに製造されたコリメータ部品への屈折コリメータの追加も実現可能な選択肢である。記載された方法を用いて、様々な寸法のコリメータ部品を製造する事ができる。
【0032】
本発明は、以下に記載される実施形態及び図面を用いてより詳細に明らかにされる。