照明设备的制作方法

照明设备


背景技术：

1.led引擎是照明设备，该照明设备通常包括其上布置（例如安装）有led的印刷电路板（pcb）。为了准直和控制由led发出的光，具有led的pcb通常设置有单片透光光学板，例如包括透镜的光学板。典型地，在已知的led引擎中，透镜借助于紧固件安装在相对于led的固定的、对准的位置中，以最佳地控制由led发出的光的光束形状和光束方向。pcb的材料通常包括铝，例如通常用于金属芯pcb（mcpcb），而光学板的材料通常是聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）或聚碳酸酯（pc）。然而，铝在20℃时的线性热膨胀系数约为23*10-6 k-1
，与pc和pmma的线性热膨胀系数（分别约为70*10-6 k-1
和77*10-6 k-1
）显著不同。特别地，在led引擎的点亮（因此预热（warming up））期间，热膨胀系数的这种差异可能导致led和光学板的透镜的不对准。不对准通常随着单片光学板尺寸的增加而增加。出于抵消不对准的原因，光学板被固定安装到pcb上。然而，这具有以下缺点：由于pcb和光学板之间的热膨胀差异与led和透镜的期望对准相结合，对pcb和/或光学板施加了相对高的机械约束。这些高机械约束涉及在pcb和/或光学板中形成裂纹的增强的且相对大的风险，并因此导致led引擎的早期寿命失效。


技术实现要素：

2.本发明的目的是提供一种如开篇段落中所述类型的照明设备，其中至少一个缺点被抵消。为此，根据本发明的照明设备包括在布置在pcb的pcb主表面上的多个led上方延伸的光学板，在安装的配置中，所述pcb和光学板通过多个紧固件相互连接，其中每个紧固件在横向于所述pcb主表面的方向上延伸穿过光学板中相应的、相关联的通孔，其中所述相关联的通孔具有宽部，该宽部从背离pcb的光学板的第一主表面朝向面向pcb的光学板的第二主表面延伸深度d，该通孔在所述深度d处变窄为颈部，以及其中每个紧固件在平行于所述pcb主表面的平面p中以间隙s延伸穿过所述通孔，并且靠在坐落于所述相关联的通孔的宽部中的相应的、相关联的弹性垫圈上，其中宽部包括锥化部分，该锥化部分沿着深度d逐渐锥化、优选连续锥化，并且其中垫圈是带齿的垫圈，优选带有向外延伸的齿。
3.宽部形成弹性垫圈的座。紧固件以弹性力靠在垫圈上，而垫圈又弹性地坐落在宽部中。
4.变窄可以是逐步的（例如一步）和/或锥化的。优选地，锥化在光学板的第一主表面开始，并且优选逐渐地且平滑地前进（proceed）深度d。因此，在所述深度d处，宽部变窄至颈部的宽度。宽部到颈部的逐渐锥化或逐步变窄形成了用于弹性垫圈的座。紧固件包括头部和细长部分，并且以其头部靠在垫圈上，同时其细长部分穿过垫圈中的中心开口并穿过光学板朝向pcb延伸，在此其紧抓到pcb中，即紧固件相对于pcb处于固定位置，和/或紧抓到pcb可以安装到其上的散热器中。垫圈具有中心孔，该中心孔紧密地装配在紧固件的细长部分周围，基本上没有间隙。此外，垫圈通常具有与宽部的形状/直径紧密匹配的形状，例如外
径。因此，当光学板相对于紧固件偏移——并因此垫圈也偏移——时，垫圈弹性变形，因而将光学板推回到其原始位置。由于pcb和光学板之间的热膨胀差异，光学板可能相对于pcb有局部偏移。然而，由于紧固件在通孔的窄部（也称为颈部）内的间隙以及垫圈由于垫圈的弹性而在宽部中偏移的可能性，在led引擎的预热期间，使得光学板能够局部地相对于pcb从其原始位置进行所述局部偏移。所述局部偏移在不同的位置可以不同。一旦冷却下来，在led引擎关闭的情况下，垫圈的弹性使得光学板相对于pcb呈现其原始位置。
5.垫圈可以具有圆形周边、多边形周边（例如三角形、正方形、矩形、六边形或八边形）。照明设备可以是任何类型的照明器或照明设备——其包括具有附接到（单片）光学板的led的pcb——例如街灯照明器、瓦灯照明器、天花板灯、机动车头灯照明器等。光学板可以由各种透明的透光材料——例如玻璃；pet: 聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）；聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）；聚萘二甲酸乙二醇酯（pen）；环烯烃共聚物（coc）；聚碳酸酯（pc）；高温聚碳酸酯（htpc）；聚醚酰亚胺（pei）；聚芳酯（par）；聚苯硫醚（pps）；聚醚砜（pes）；聚醚醚酮（peek）；聚酰亚胺（pi）；和聚酰胺酰亚胺（pai）——制成。
6.照明设备可以具有以下特征：间隙s在平行于所述pcb主表面的平面p中的每个方向上。间隙基本上只可以在一个方向上（例如通过细长槽获得的间隙），但是优选地，间隙在所有方向上，并且因此，与延伸穿过所述孔的紧固件的细长部分的直径相比，间隙体现为相对大的孔。为此，照明设备可以具有以下特征：紧固件包括细长部分和在其一端的头部，所述细长部分在平行于主表面的方向上具有直径df，其中间隙s在通孔的颈部中和紧固件的细长部分处，所述间隙s在0.1*df≤s≤0.3*df的范围内。当然，紧固件的头部装配在通孔的宽部内，具有如此多的移动空间，以至于其至少也具有相同的间隙。垫圈的弹性使得它可以至少以0.3*df的间隙变形，而不发生塑性变形，但仅发生弹性变形。
7.仅举一个例子，铝在20℃时的线性热膨胀系数约为23*10-6 k-1
，与pc和pmma的线性热膨胀系数（分别约为70*10-6 k-1
和77*10-6 k-1
）明显不同。所以，热膨胀的差异大约是50*10-6 k-1
。因此，对于预热时
∆
t约为50℃的1 m的光学板，光学板和pcb之间的相互膨胀差约为0.5 mm。对于直径为4 mm的m4螺钉，s在0.4-1.2 mm之间，这与0.5 mm的（最大）计算差非常匹配。
8.照明设备可以具有以下特征：光学板在通孔处具有局部厚度t，并且其中宽部是在光学板的第一主表面中延伸深度d的凹槽，其中0.25*t≤d≤0.85*t。凹槽的最小深度是为垫圈提供可靠的座，以抵消垫圈无意中滑出座，并且为垫圈提供足够的深度以弹性弯曲而不从光学板的第一主表面突出。凹槽的最大深度是为了确保光学板局部具有足够的强度来承受弹性垫圈的弹性变形所涉及的（相对低的）机械约束。通常，通孔的位置不在（突出的）透镜的位置处，而是在位于相邻透镜之间中的平坦区域中。厚度t然后与平坦区域中光学板的厚度相关。然而，如果通孔的位置在透镜处，那么厚度t与透镜处的光学板的厚度相关。
9.该照明设备具有以下特征：宽部包括锥化部分，该锥化部分沿着其深度d逐渐锥化、优选连续锥化。该锥化优选地延伸整个深度d，从而使得能够使用相对宽范围尺寸的垫圈来装配到逐渐锥化的通孔中。在这种情况下，宽部可以延伸光学板的整个厚度，即d = t。取决于垫圈的尺寸与宽部的最大尺寸的比较——该宽部的最大尺寸变化为颈部的最小尺寸——垫圈沿着宽部的深度的座位置变化。因此，可以通过使用相同尺寸的（多个）紧固件来应对照明设备的在光学板和pcb之间的预定距离变化的特征。这种预定距离可以由透镜
的形状和期望的光束图案——诸如期望的光束角度或光束宽度，或者来自相邻led的光的期望混合——来确定。这种预定距离可以通过使用隔离物容易地获得。因此，照明设备可以具有以下特征：它包括预定高度的隔离物，该隔离物在通孔的位置处定位在光学板和pcb之间中，并且多个紧固件中的相应的、相关联的紧固件延伸穿过该通孔。
10.照明设备可以具有以下特征：锥化部分相对于第一主表面的法线具有平均锥角α，其中30
°
≤α≤70
°
，优选40
°
≤α≤60
°
。当锥化是笔直的时，锥角在整个深度上是相同的。然而，锥化也可以是弯曲的，例如根据在截面中观察的抛物线的分支，并且然后锥角随着深度而变化，即，然后锥角通常随着深度位置的增加而增加。该角度范围促进了垫圈在坐落时相对容易地沿着通孔的深度滑动，并且容易控制垫圈的弯曲程度（并因此容易控制垫圈的强度），通过这样，利用紧固件和垫圈的组合，光学板和pcb被拉向彼此。
11.照明设备可以具有以下特征：垫圈由弹簧钢或弹性聚合物/塑料制成。钢弹簧的优点在于，它是一种方便且可靠的材料，对于机械弹性零件来说，具有长的使用寿命。聚合物/塑料材料的优点是它是电绝缘的，从而抵消由接触pcb的紧固件的使用者无意的电接触。替代地或附加地，紧固件可以由塑料/聚合物材料制成。当然，紧固件也可以由金属制成。典型地，紧固件的合适形状包括螺纹紧固件、螺栓、螺钉、卡扣（snap-click）、分裂笔（split-pen）。
12.该照明设备具有以下特征：垫圈是带齿的垫圈，优选带有向外延伸的齿。带齿的垫圈可易于设计，以提供期望的弹性力。例如，这可以通过选择材料、材料厚度、齿的长度和/或宽度、齿数、和齿间间距来实现。此外，齿的位置和取向可以影响设置的垫圈弹性。例如，因为齿从中心环的中心向外延伸，即为外齿垫圈；或者因为齿朝向外环的中心向内延伸，即为内齿垫圈。可以根据期望对它们中的任一个进行选择，但是这可能例如取决于垫圈的弹性变形在垫圈的哪个位置是期望的，并且因此取决于弹性力最集中地施加在照明设备的哪个部分，即在靠近垫圈中心的内齿垫圈的情况下，弹性力最集中地施加在紧固件处，或者在垫圈周边的外齿垫圈的情况下，弹性力最集中地施加在光学板中通孔的宽部的壁上。
13.照明设备可以具有以下特征：垫圈是锯齿状垫圈。在本发明的上下文中，锯齿状垫圈必须被理解为像垫圈的锯齿一样被开槽的垫圈，所述锯齿从公共（或共享）平面永久弯曲出来，例如因为齿指向顶点。优选地，齿处于与垫圈的基环（其位于所述公共或共享平面中）的法线成角度的位置β，其中β大约具有与通孔的宽部中的平均锥角α大约相同的值，即β≈α。然而，优选地β≈α加上几度，例如β≈α 5
°
。因此，垫圈比/似乎比通孔的锥化的宽部稍宽，以便当齿沿着宽部的壁的轮廓时，使垫圈以预张紧的方式坐落在通孔中。因此，确保了光学板和pcb被一个永久的但相对低的力永久地推动以呈现相互对准的（原始）位置。
14.该照明设备可以具有以下特征：垫圈包括n个齿，其中n的合适数目似乎在3≤n≤24、优选4≤n≤12的范围内。照明设备可以具有以下特征：弹性垫圈是星形垫圈，即星形垫圈具有向外延伸的锥化齿，这些齿以这样的方式成形，使得当由于光学板和pcb在pcb主表面的平面中的相互偏移和/或通过在横向于所述pcb主表面的方向上的相互偏移而迫使它们朝向彼此时，这些齿不彼此邻接或重叠。这种垫圈也可以描述为具有n个尖的星形垫圈或n尖星形垫圈，该尖形成垫圈的齿。优选地，星形垫圈的齿各自具有圆形尖端，以增强垫圈在通孔的宽部内的平滑移动。
15.照明设备可以具有以下特征：垫圈是圆环形的，并且具有最大直径dw，并且齿具有
长度l，其中0.1*dw≤l≤0.4*dw，例如0.15*dw≤l≤0.3*dw，诸如0.2*dw。似乎长度在该范围内的齿很好地提供了所期望的弹性和间隙功能。
附图说明
16.现在将借助于示意性附图进一步阐述本发明，这些示意性附图决不旨在限制本发明的范围，而是旨在示出其充分的可能性。在附图中：图1a-图1b分别示出了包括根据本发明的照明设备的第一实施例的照明器的局部截面的透视图；图2示出了根据本发明的照明设备的第二实施例的构思的部件；图3a-图3d示出了组装根据本发明的照明设备的实施例的最后阶段以及关于弹性变形和间隙的细节；以及图4a-图4f示出了用于根据本发明的照明设备的各种类型的合适垫圈。
具体实施方式
17.图1a-图1b分别示意性地示出了包括根据本发明的照明设备103的第一实施例的照明器101的透视图和部分截面。在该图中，照明器是街道照明器，但是这替代地可以是包括pcb 105的任何其他类型的照明器或照明设备——该pcb 105具有附接到（单片）光学板109的led 107——例如瓦灯照明器、天花板灯、机动车头灯照明器。在该图中，街道照明器包括安装在杆113上的外壳111。在外壳中，容纳了根据本发明的照明设备的第一实施例。照明设备包括在布置在pcb的pcb主表面115上的多个led 107上方延伸的光学板。光学板的第一主表面117面向pcb主表面，并且第二主表面119背离pcb主表面。
18.在安装的配置中，所述pcb和光学板通过多个紧固件121在与光学板的相应透镜125的相应光轴123上的led对准的位置相互连接。每个紧固件在横向于所述pcb主表面的方向上在平行于所述pcb主表面的平面p中以间隙（图1a-图1b中未示出，见图3c）延伸穿过光学板中相应的、相关联的通孔127。所述相关联的通孔具有宽部129，该宽部129从背离pcb的光学板的第一主表面朝向面向pcb的光学板的第二主表面延伸深度d。在该图中，宽部从所述第一主表面突出深度d（或具有高度d），其中d约为0.7*t，其中t是光学板的厚度。所述通孔在所述深度d处变窄为颈部131。每个紧固件以其头部133靠在相应的、相关联的弹性垫圈（未示出）上，该垫圈坐落于所述相关联的通孔的宽部中。每个紧固件以其细长部分135延伸穿过相应通孔的颈部131，并以紧固件的螺纹部分139的至少一部分拧到外壳上。
19.图2示意性地示出了在组装照明设备之前根据本发明的照明设备203的第二实施例的独立部件。所述第二实施例的部件包括作为紧固件221的两个m4螺栓、两个弹性10尖（10齿）星形垫圈241、一个由pmma制成的光学板209（但是所述光学板替代地可以由例如pc制成）、和具有电子部件（如led 207、电阻器、传感器、导电图案布局等）的pcb 205。在该实施例中，光学板仅包括两个通孔227，但是当然，光学板中通孔的数量和紧固件的数量可以多于两个，并且取决于（单片）光学板的尺寸，尺寸越大，通孔和紧固件越多。
20.例如，组装可以如下进行：光学板被放置在pcb上的对准位置中，其中pcb上的led位于光学板的相关联透镜225的相应光轴223上。随后，垫圈被插入光学板中相应的通孔中。最后，螺栓插入通孔中，其中其细长部分235延伸穿过相应垫圈中的开口243并穿过相应通
孔，并拧入pcb中的相应螺纹凹槽中，从而将光学板和pcb拉向彼此，并将光学板固定到pcb上，在平行于pcb主表面215的平面p中的每个方向上都有间隙（未示出）。
21.图3a-图3d示出了组装根据本发明的照明设备303的实施例的最后阶段的局部截面视图以及关于弹性变形和间隙的细节。图3a示出了处于对准位置的光学板309和pcb 305的组合，即led 307在透镜325的光轴323上。垫圈341坐落于光学板的通孔327中，并且紧固件321以其头部333靠在垫圈上，并且紧固件的细长部分335穿过垫圈、通孔和pcb延伸到可连接的散热器（未示出）和/或外壳（未示出）。光学板中的通孔具有从光学板的第一主表面317朝向光学板的第二主表面319逐渐锥化的宽部329。通孔在光学板中的深度d与光学板的厚度t相同，并且锥化至第二主表面中具有最小直径通孔的开口。第二主表面中的所述最小开口是颈部331。
22.在图3a中，示出了垫圈作为平坦垫圈坐落于通孔中，并且（还）没有在光学板和pcb上施加（永久的）力。在旋紧/拧紧紧固件时，垫圈经历弹性变形，并且坐落在通孔中，呈现通孔的逐渐锥化的形状，并且由于所述弹性变形，在光学板和pcb上施加永久的力，通过该永久的力，光学板和pcb被拉向彼此，如图3b所示。逐渐锥化的孔具有壁345，该壁345成形为抛物线的分支围绕所述抛物线的轴线旋转的旋转体（在图3c中更详细地示出）。平均角度为α的所述分支相对于第一主表面的法线处于成角度的位置，其中α约为40
°
。
23.图3c是图3b的放大的详细截面视图，并且示出了光学板309、pcb 305、垫圈341和紧固件321的组装配置，并且其中确定/测量了平行于所述pcb主表面315的平面p中的间隙s。图3c还示出了安装在pcb上并与光学板的相关联透镜325的光轴323对准的led 307。垫圈341具有中心开口343，该中心开口343充分大于紧固件的细长部分335的直径df（例如大15%），致使垫圈容易地装配在紧固件321的细长部分335周围。垫圈坐落于光学板的通孔327中，并且紧固件以其头部333靠在垫圈上，并以细长部分335延伸穿过垫圈、通孔，并牢固地固定到pcb。紧固件以如此紧密的方式拧入pcb，以将垫圈夹在紧固件头部和pcb之间，从而迫使它相对于pcb保持就位。在紧固件的一侧上，夹紧区347在图中指示为灰色的垂直柱（尽管它呈现为围绕紧固件的圆周区）。垫圈的弹性使得光学板能够相对于pcb（以及垫圈和紧固件）在平行于平面p的方向上移动。光学板中的通孔具有从光学板的第一主表面317朝向光学板的第二主表面319逐渐锥化的宽部329。通孔在光学板中的深度d与光学板的厚度t相同，并且逐渐变细到通孔的颈部331。紧固件在通孔的颈部中具有间隙s，在图中每侧上大约为0.15*df。垫圈具有至少相同大小的弹性s（在图中用虚线指示）。
24.图3d是照明设备的另一个实施例的放大的、详细的局部截面视图，并且示出了光学板309、pcb 305、垫圈341和紧固件321的组装配置，并且其中确定/测量了平行于所述pcb主表面315的平面p中的间隙s。垫圈341具有中心开口343，该中心开口343比直径df稍微大一点（例如大1%），致使垫圈紧贴地装配（即基本上没有间隙）在紧固件321的细长部分335（其具有所述直径df）周围。垫圈坐落于光学板的通孔327中，并且紧固件以其头部333靠在垫圈上，并以细长部分335延伸穿过垫圈、通孔，并牢固地固定到pcb。紧固件以足够紧的方式拧入pcb，以抵消光学板和垫圈在垂直于平面p的方向上的移动，但是不要太紧，以便避免垫圈和光学板夹在紧固件的头部和pcb之间，从而使得光学板能够在平行于平面p的方向上移动。光学板中的通孔具有宽部329，该宽部329从光学板的第一主表面317朝向光学板的第二主表面319逐渐锥化。通孔在光学板中的深度d约为光学板厚度t的85%，并锥化至通孔的
颈部331。紧固件在通孔的颈部中具有间隙s，在图中每侧上大约为0.25*df。垫圈具有相同大小的弹性s（在图中用虚线指示）。
25.图4a-图4f示出了用于根据本发明的照明设备的各种类型的合适垫圈。图4a示出了平坦的星形弹性垫圈441的透视图。垫圈包括具有中心开口443的中心环447，其中多个齿449（或尖）从中心环径向向外延伸，并且其中每个齿包括圆形尖端451。在图中，多个齿包括十个齿，但是所述的多个可以是从三个到一百个的任何数量，例如四个、六个、八个、十二个、二十个。这同样适用于具有多个齿的所有垫圈。
26.图4b和图4c分别示出了锯齿状、星形弹性垫圈441的透视图和截面视图。垫圈包括具有中心开口443的中心环447，其中多个齿449从中心环向外延伸并超出由中心环限定的平面q。锯齿状垫圈可以被描述为像锯齿一样被开槽的垫圈，所述锯齿被永久地弯曲出由中心环形成的平面，例如因为齿指向顶点。优选地，齿处于与垫圈的基环（其位于所述公共或共享平面内）的法线n成角度的位置β，在图中β大约为45
°
，但是β优选地在30
°
≤β≤60
°
的范围内、并且略大于α（见图3c）。
27.图4d、图4e和图4f示出了各种类型的锯齿状、非星形弹性垫圈441。图4d中所示的垫圈441包括具有中心开口443的外环451，该外环451具有从外环向内延伸到中心开口的多个齿449（图中为八个）。齿以大约15
°
的角度延伸出由外环限定的平面，即β大约75
°
（未指示）。图4e中所示的垫圈441包括具有中心开口443的内环447，该内环447具有从内环向外延伸到外部六边形环455的多个辐条453（图中为六个）。辐条以大约12
°
的角度延伸出由外环限定的平面，即β大约78
°
（未指示）。图4f中所示的垫圈441基本上是方形、锯齿状、弹性垫圈，其包括中心开口443。所述垫圈在方形垫圈的拐角处具有四个凹痕457，其中垫圈的边缘区域459弯曲。弯曲的边缘区域定向为与由中心开口限定的平面成大约45
°
的角度。