(57)【要約】【課題】バイマテリアル光学送信エレメントと方法。【解決手段】照明アセンブリは、取付装置と、取付装置に取り付けられたＬＥＤと、ＬＥＤに光学的に接続される光デバイスと、光デバイスを取付装置に接続する支持構造と、を有する。ＬＥＤは、取付装置と、支持構造と、光デバイスとにより形成される空間に封入される。支持構造は、熱エネルギーを吸収し、光デバイスの動作温度を削減する。光デバイスは、第１材料により形成されてもよく、支持構造は、それとは異なる第２材料により形成されてもよい。【選択図】図２Ｂ
2019021628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
取付装置と、
前記取付装置に取り付けられた、固体光源と、
前記固体光源に光学的に接続される、光デバイスと、
前記取付装置と接続する、支持構造と、
を備え、
前記固体光源は、前記取付装置、前記支持構造及び前記光デバイスにより形成された空間内に取り囲まれ、前記支持構造は、熱エネルギーを吸収し、前記光デバイスの動作温度を削減する、
照明アセンブリ。
【請求項２】
前記取付装置は、熱伝導材料により形成された、ヒートシンクを備える、請求項１に記載の照明アセンブリ。
【請求項３】
前記光デバイスは、第１材料により形成され、前記支持構造は、それとは異なる第２材料により形成される、請求項１に記載の照明アセンブリ。
【請求項４】
前記第１材料及び前記第２材料のうち少なくとも１つは、熱可塑性物質である、請求項３に記載の照明アセンブリ。
【請求項５】
前記第２物質は、可視光及び近赤外光を吸収する、請求項４に記載の照明アセンブリ。
【請求項６】
前記光デバイスは、ライトパイプである、請求項１に記載の照明アセンブリ。
【請求項７】
前記光デバイスは、前記支持構造と機械的接触により接続されている、請求項１に記載の照明アセンブリ。
【請求項８】
前記照明アセンブリは、信号デバイス、外部照明デバイス又は外部照明デバイスの一部を形成する、請求項１に記載の照明アセンブリ。
【請求項９】
型に第１材料を注入し、アセンブリの光デバイス部分を形成するステップと、
時間を待つステップと、
前記型に第２材料を注入し、前記アセンブリの支持構造を形成するステップと、
前記型から前記アセンブリを解放するステップと、
を備える、統合された光デバイスと支持構造アセンブリを成形する方法。
【請求項１０】
前記第２材料を注入するステップはさらに、前記アセンブリの前記光デバイスの前記第１材料の周りに、前記第２材料を注入するステップ、を備える請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１材料及び前記第２材料のうち少なくとも１つは、熱可塑性物質である、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２材料は、可視及び近赤外光を吸収する、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイマテリアル光学送信エレメントと方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ベースの照明システムの使用は、自動車産業においてますます一般的になっている。車両環境の設計上の制約及び美的な考慮は、発光素子から遠隔の照明点へ光を送信及び／又は拡散させるための光学素子を使用することが望ましいことが多い。このような光学素子は、高い高額効率を有する材料（マテリアル）で作られるべきであり、照明点における光の出力の損失を最小にする発光素子を有するように注意深く調節されるべきである。さらに、光学的性能は、機械的応力（例えば、振動）、熱応力及び水分の侵入に可能な限り耐えうるべきである。
【０００３】
開発の分野は、ＬＥＤ投影の位置合わせと精度、熱管理、信頼性と耐久性、製造の容易さと品質、及び、労働コストと材料コストの削減を含む。したがって、材料及び製造プロセスの革新及び改良は、改善されたＬＥＤベースの照明システムの導入に取って重要な貢献となる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
全明細書において、「ＬＥＤ」は、とりわけ、半導体光源又は発光ダイオード（ＬＥＤ：Light emitting diode）を含む任意の固体光源として簡略化して使用されている。
【０００５】
本開示は、取付装置と、取付装置に取り付けられたＬＥＤと、ＬＥＤと光学的に接続される光デバイスと、光学デバイスを取付装置に接続する支持構造と、に関する。ＬＥＤは、取付装置、支持構造、及び、光デバイスにより形成された空間に取り囲まれる。支持構造は、熱エネルギーを吸収し、光学デバイスの動作温度を削減する。
【０００６】
別の態様において、ヒートシンクは、熱伝導材料から形成される。
【０００７】
別の態様において、熱伝導材料は、アルミニウム及びアルミニウム合金のうち少なくとも１つである。
【０００８】
別の態様において、光デバイスは、第１材料から形成され、支持構造は、それとは異なる第２材料から形成される。
【０００９】
別の態様において、第１物質及び第２物質のうち少なくとも１つは、熱可塑性物質である。
【００１０】
別の態様において、第１材料は、ＰＭＭＡである。
【００１１】
別の態様において、第２材料は、ポリカーボネートである。
【００１２】
別の態様において、第２材料は、可視及び赤外光領域において不透明である。例えば、第２材料は、１０００ｎｍ未満、又は、１５００ｎｍ未満の近赤外波長を吸収してもよい。
【００１３】
別の態様において、光デバイスは、ライトパイプである。
【００１４】
別の態様において、光デバイスは、支持構造と機械的接触により接続されている。
【００１５】
別の態様において、光デバイスは、支持構造とさねはぎ結合により接続されている。
【００１６】
別の態様において、光デバイスは、支持構造と傾斜したさねはぎ結合により接続されている。
【００１７】
別の態様において、照明アセンブリは、信号デバイス、外部照明アセンブリ又は内部照明アセンブリの一部を形成する。
【００１８】
別の非限定的に示される例において、統合された光デバイスと支持構造アセンブリを成形する処理は、第１材料を型に注入しアセンブリの光デバイス部分を形成するステップと、時間を待つステップと、第２材料を型に注入しアセンブリの支持構造部分を形成するステップと、アセンブリを型から解放するステップと、を備える。
【００１９】
別の態様において、第２材料を注入するステップはさらに、アセンブリの光デバイス部分の第１材料の周りに第２材料を注入するステップを備える。
【００２０】
この方法の別の態様において、第１材料及び第２材料のうちすくなくとも１つは、熱可塑性物質である。
【００２１】
この方法の別の態様において、第１材料は、ＰＭＭＡである。
【００２２】
この方法の別の態様において、第２材料は、ポリカーボネートである。
【００２３】
この方法の別の態様において、第２材料は、可視及び赤外光領域において不透明である。例えば、第２材料は、１０００ｎｍ未満又は１５００ｎｍ未満の近赤外は長を吸収してもよい。
【００２４】
この方法の別の態様において、光デバイスは、支持構造に、機械的接触、さねはぎ結合及び傾斜したさねはぎ結合のうち少なくとも１つにより接続される。
【００２５】
前述した一般的な実装の説明及びそれに追随する説明は、本開示の技術の単なる代表的な態様であり、制限を与えるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
開示のより完全な理解及びそれに付随する多くの有利な点は、添付の図面に関連して考慮される場合に、以下の詳細な説明を参照することにより、よりよく理解されるであろう。
【００２７】
【図１】一例による固定アセンブリに接続されたヒートシンクを有する照明アセンブリの図。
【図２Ａ】一例による照明アセンブリの概略図。
【図２Ｂ】一例による照明アセンブリの概略図。
【図３Ａ】一例による固定アセンブリとライトパイプとの間の接合部の概略図。
【図３Ｂ】一例による固定アセンブリとライトパイプとの間の接合部の概略図。
【図３Ｃ】一例による固定アセンブリとライトパイプとの間の接合部の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図面を参照する際に、使用されている１つのものは、特に断らない限り、一般的に「１又は複数」の意味を有する。
【００２９】
図１は、一例による、固定アセンブリ１２８に接続される取付装置１０４を有する照明アセンブリ１０１を示す図である。取付装置は、ＬＥＤが取り付けられる、１又は複数のプリント基板（ＰＣＢ：Printed circuit board）、ヒートシンク、又は、任意の適切な構造物であってもよい。一実施形態において、取付装置は、ＬＥＤと、当該ＬＥＤに熱的に接続されるヒートシンクが取り付けられたプリント基板を含む。取付装置１０４は、固定アセンブリ１２８が取り付けられ、その上に固定アセンブリ１２８が配置される、ベースとしての役割を果たしてもよい。取付装置１０４は、照明アセンブリ１０１の動作により、特に、ＬＥＤ１０２からの熱を蓄積し、散逸させる熱容量を照明アセンブリ１０１に提供することができる。
【００３０】
固定アセンブリ１２８は、支持構造として機能し、図におけるライトパイプ１１０として表される光学デバイスに接続されてもよい。ライトパイプ１１０は、ヒートシンク１０４に対して実質的に垂直な方向に配置されてもよい。別例において、固定アセンブリ１２８は、コリメータレンズ、コレクタレンズ、又は、他の光学素子といったライトパイプ１１０ではなく、他のコンポーネントを含んでもよい。従来の照明アセンブリでは、固定アセンブリ１２８は、製造の容易さのためにライトパイプと同じ材料から作られ、ＬＥＤ１０２をカプセル化し、水分の暴露を防止することを可能としている。しかしながら、本発明者らは、そのような構造が、しばしば、ＬＥＤ１０２からの熱（対流及び放射を含む）を補償するために、アセンブリの最適以下の設計及び／又は動作をもたらし、固定アセンブリ１２８及びライトパイプ１１０の材料特性に影響を及ぼしうるものであると認識している。
【００３１】
一例では、ＬＥＤ１０２からの熱の強度は、ＬＥＤ１０２への電流がＬＥＤ１０２の最大限度以下で動作し、どちらかと言えばＬＥＤ１０２よりもライトパイプ１１０及び／又は固定アセンブリ１２８の熱限界を保護するために、ＬＥＤ１０２の最大限界を下回るように動作して出力レベルが下げられてもよい。さらに、ライトパイプ１１０は、光伝送の目的のために理想的であるよりもＬＥＤ１０２から遠くに配置されなければならないかもしれないが、ライトパイプ１１０の材料の特性を限定することは、ＬＥＤ１０２に対するライトパイプ１１０の配置を必要とする。ＬＥＤ１０２からの熱もまた、吸収され、その後、放熱されるヒートシンク１０４へと固定アセンブリ１２８により伝導されてもよい。
【００３２】
特に光効率、熱効率、及び、光出力の増加に関して、光学デバイス及び固定アセンブリ等のコンポーネントの性能を含むこのようなシステムの性能を向上させるために、慎重な設計及び材料の選択が行われるべきである。本発明者は、光学的に効率的であり得る材料は、比較的低い温度しきい値を有していてもよく、そして、特定の熱的な要件を満たすことには余り適していないと認識した。逆に、適切な熱特性を有する材料は、光学的に効率的ではない可能性がある。さらに、照明システムの耐久性及び信頼性は、光学素子が受けるであろう熱負荷を低減するためにＬＥＤ素子に向けられた電流が低減又は非定格化されるほど多くの動作温度及びアセンブリに依存することがあり、したがって、照明システムの輝度及び光学的な有効性を低下させる。
【００３３】
本発明の一例において、固定アセンブリ１２８は、少なくともその一部がライトパイプとは異なる材料で製作されてもよい。
【００３４】
図２Ａは、本発明の一例による照明アセンブリ１０１ａの模式的な図である。見て分かるように、固定アセンブリ１２８ａは、ライトパイプ１１０を備えていてもよく、ヒートシンク１０４と接続されていてもよい。ＬＥＤ１０２はまた、ヒートシンク１０４上に取り付けられ、ライトパイプ１１０の下に位置し、ライトパイプ１１０の第１端と光学的に接続され、少なくともいくらか、望ましくは全てのＬＥＤ１０２により放射された光がライトパイプ１１０の第１端の内部に、ライトパイプ１１０の第２端から外に出るように向けられる。
【００３５】
ライトパイプ１１０は、固定アセンブリ１２８ａに接続され、ライトパイプ１１０の長手軸がおおよそ垂直のｚ軸に沿って位置する。さらに、固定アセンブリ１２８ａは、ライトパイプ１１０の第１端とヒートシンク１０４との間の領域を取り囲むようにライトパイプ１１０と接続され、あるいは、ライトパイプ１１０の周囲にあってもよく、固定アセンブリ１２８ａ、ヒートシンク１０４及びライトパイプ１１０は、ＬＥＤ１０２及びＬＥＤ１０２により放射された光を取り囲んでいる。ＬＥＤ１０２は、典型的には、圧力及び湿度の制御のために大気に通気することができるように、封止されていない。しかしながら、状況によっては、ＬＥＤ１０２は、ＬＥＤ１０２が水分に曝されるのを最小限にするようにＬＥＤ１０２を気密に封止してもよい。固定アセンブリ１２８ａは、ＬＥＤ１０２及びヒートシンク１０４の上方においてライトパイプ１１０を支持してもよく、ライトパイプ１１０は、直接的にヒートシンク１０４と接触しない。ライトパイプ１１０及び固定アセンブリ１２８ａは、異なる光学的、熱的及び機械的な特質を有する材料で形成されてもよく、照明アセンブリ１０１ａは、固定アセンブリ１２８ａ及びライトパイプ１１０がただ１つの材料で形成される場合と比較して改善された性能を達成する。ライトパイプ１１０及び固定アセンブリ１２８ａ、１２８ｂは、典型的には、熱的な制約により、ＬＥＤ  ＰＣＢボードに封止されていない。
【００３６】
ライトパイプ１１０は、例えば、アクリル、アクリルガラス、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ：Polymethyl methacrylate）といった熱可塑性の材質により形成され、全内部反射（ＴＩＲ：Total Internal Reflection）又はライトパイプ１１０の他の光学的特性を最適化する。さらに、ライトパイプ１１０の材料選択及び／又は設計は、したがって、固定アセンブリ１２８ａが、より少ない熱エネルギーがライトパイプ１１０に伝導させるように十分に熱を吸収、伝導又は偏向するように優れた熱特性を有する設計及び／又は材料から形成される場合、熱特性を余り強調しなくてもよい。ライトパイプ１１０は、したがって、ライトパイプ１１０及びライトパイプ１１０の材料特性によって取り扱うことができる熱量以下、主にＬＥＤ１０２からの熱エネルギーである熱動作範囲に曝されてもよい。
【００３７】
固定アセンブリ１２８ａは、照明システムの熱及び機械的特性を最適化するように設計されてもよい。例えば、固定アセンブリは、ＬＥＤ及び／又はヒートシンクからの熱（対流、伝導及び対流）を吸収、遮断又は偏向するように設計されてもよい。ＬＥＤから支持構造へと伝導される熱は、例えば、貧弱な光学的整合により、塑性変形及びシステムの故障を引き起こす可能性がある。したがって、いくつかの実施形態では、固定アセンブリは、高温環境においても、ライトパイプの機械的にロバストな固定を提供する。
【００３８】
一例では、ライトパイプ１１０と固定アセンブリ１２８ａの動作温度との温度差は、おおよそ３０から３５℃の範囲であり、固定アセンブリ１２８ａは、ライトパイプ１１０の温度よりも高い温度で動作する。２以上の材料を用いたライトパイプ１１０の材料特性と固定アセンブリ１２８ａの材料特性を分離する能力は、特定の温度範囲及び他の特性についての各コンポーネントの材料特性の選択を可能とする。これは、固定アセンブリ１２８ａの全体的な性能の限界を引き延ばすことができ、永続的にＬＥＤ１０２からのより明るくより効率的な光出力（電流の増加等）をライトパイプ１１０の第２端に向けられるようにすることができる。
【００３９】
一例では、ライトパイプ１１０のＴＩＲ効率は、その目的に特有の第１材料によりライトパイプ１１０を形成することにより増加させることができ、第１材料は、永続的に第１温度制限を満たす熱特性を必要とする。さらに、固定アセンブリ１２８ａは、第２材料により形成されてもよく、第２材料は、永続的に、第１温度制限よりも高い第２温度制限を満たすことができ、要求される効率を満たす又は超える割合で、ＬＥＤ１０２により生成された熱をヒートシンク１０４へと伝導させる好適な熱伝導率を有する。第１材料は、第２材料の光学特性（例えば、所与の波長におけるＴＩＲ等）よりも優れた光学特性を有してもよく、第２材料は、第１材料の熱伝導率よりも優れた熱伝導率を有してもよい。ライトパイプ１１０及び固定アセンブリ１２８ａのそれぞれの例示的な材料としてＰＭＭＡ及びＰＣが提供されるが、当業者であれば、ライトパイプ１１０及び固定アセンブリ１２８ａが照明アセンブリの特定の用途の光学的、熱的及び機械的要件を満たすのに適した多種多様な材料から形成されてもよいことを認識するであろう。
【００４０】
図２Ｂは、一実施例による照明アセンブリ１０１ｂの概略図である。固定アセンブリ１２８ｂは、ライトパイプ１１０と、ヒートシンク１０４に接続された固定アセンブリ１２８ｂを含んでもよい。固定アセンブリ１２８ｂは、固定アセンブリ１２８ｂの少なくとも一部が可視及び赤外光範囲で不透明であるか、又は、黒色であり、固定アセンブリ１２８ｂを通した光の漏れを回避する、固定アセンブリ１２８ａと同一のものであってもよい。例えば、第２材料は、１０００ｎｍ未満、又は、１５００ｎｍ未満の赤外波長を吸収してもよい。
【００４１】
結果として、固定アセンブリ１２８ｂの少なくとも一部が不透明又は黒色ではない場合において光の漏れが生じる可能性により固定アセンブリ１２８ｂを通して拡散されるのではなく、ＬＥＤ９３と抵抗９２１０２により放射された光のより多くの部分は、ライトパイプ１１０を通して導かれる。
【００４２】
さらに、いくつかの実施形態では、固定アセンブリ１２８とライトパイプ１１０の間の接触面積は、ライトパイプ１１０の光学損失を最小化するように選択されてもよい。特に、本発明者らは、ライトパイプ１１０の円筒状の外面が中断されることがＴＩＲによってライトパイプの出力端に光を伝送することができる効率を低下させうることを認識した。したがって、一実施形態では、接触面積は、最小の機械的強度要件を満たし、ライトパイプの高額効率を最大限に維持するように選択される。いくつかの実施形態では、固定アセンブリ及びライトパイプのインターフェースは、機械的な接続を改善してもよく、所与の用途に対して可能な光学効率を改善してもよい。図３Ａから図３Ｃは、一実施形態による固定アセンブリ１２８とライトパイプ１１０の間の結合部を示す図である。図３Ａでは、固定アセンブリ１２８は、ライトパイプ１１０又は他の光学デバイスを取り囲み、ライトパイプ１１０を固定アセンブリ１２８に固定し、ライトパイプ１１０と固定アセンブル１２８との間の結合部を形成する。結合部は、固定アセンブリ１２８及びライトパイプ１１０が１プロセス及び１モールドにおいて性質の異なる材料から成形されてもよいオーバーモールディングといった製造プロセスにおける機械的接触により形成されてもよく、例えば、ライトパイプ１１０を形成する第１材料の注入と、それに続く固定アセンブリ１２８を形成する第２材料の注入といった成形である。そのような場合、固定アセンブリ１２８がライトパイプ１１０の収縮率よりも高い収縮率を有することが有利となり得る。この構成では、固定アセンブリ１２８とライトパイプ１１０の間に形成された結合部は、さらに結合を強くし、コンポーネントをともに固定する機械的干渉の意義を有し、好ましくは、照明アセンブリ１０１の耐久性又は性能に悪影響を及ぼしうる応力を導入なくすることである。
【００４３】
図３Ａは、ライトパイプ１１０が固定アセンブリ１２８の内部に押し込まれ、わずかな締まり嵌めが、２つの部分を一緒に固定する突き合わせ継手を示す。固定アセンブリ１２８とライトパイプ１１０との間の熱エネルギーの伝達は、２つの間の接触表面積の機能であってもよい。２つの部分間の熱効率を最適化するには、接触表面積を最小に抑えるべきである。図３Ｂ及び図３Ｃの例と比較して、十分な摩擦又は干渉を提供するために、２つの部分間に、より大きい接触表面積が必要とされるであろう。例えば、固定アセンブリ１２８の厚さＴは、１２８ｂの厚さＴｂ（図３Ｂ）又は１２８ｃの厚さＴｃ（図３Ｃ）よりも大きく、これらは、ライトパイプ１１０と固定アセンブリ１２８の間の結合部、ライトパイプ１１０ｂと固定アセンブリ１２８ｂの間、又は、ライトパイプ１１０ｃと固定アセンブリ１２８ｃの間の結合部と同等に提供する。
【００４４】
図３Ｂ及び図３Ｃは、図３Ａとは異なる結合部の構成を示し、より少ない表面積の接触を可能とし、より大きい機械的な力及び振動に耐えうることができる。一例では、ライトパイプ１１０ｂと固定アセンブリ１２８ｂは、傾斜したさねはぎ結合部により結合されてもよい。別の例では、ライトパイプ１１０ｃと固定アセンブリ１２８ｃは、さねはぎ結合部により結合されてもよい。これらの例の熱効率は、図３に示される熱効率よりも高いであろう。しかしながら、ライトパイプ１１０ｂ、１１０ｃの内部の表面の不規則性により、ＴＩＲ効率が低下する可能性があり、ライトパイプ１１０ｂ、１１０ｃに固定アセンブリ１２８ｂ、１２８ｃがそれぞれ接触する付近において、光効率が影響を受ける可能性がある。
【００４５】
ライトパイプ１１０、１１０ｂ、１１０ｃと、対応する固定アセンブリ１２８、１２８ｂ、１２８ｃを有する各アセンブリは、各構成要素のための異なる材料を用いて１つの結合されたプロセスで成形されてもよい。一例では、結合された、光学デバイス及び支持構造アセンブリを成形する方法は、ライトパイプ１１０部分を形成する第１材料を注入するステップ、及び、場合によっては、ある時間後に、第１材料から形成されたライトパイプ１１０の周囲の領域の一部又は全部を取り囲む第２材料であって、固定アセンブリ１２８部分を形成する第２材料を注入するステップ、を含んでもよい。第２材料が型に注入されると、アセンブリ全体が型から開放されてもよい。
【００４６】
このように、前述の議論は、本出願の例示的な実施形態を開示して記載している。当業者によって理解されるように、本出願は、その精神又は本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化されうる。したがって、本出願の開示は、説明のためのものであり、本出願の範囲及びその他の請求を限定するものではない。本開示は、本明細書の教示の容易に識別できる変形を含めて、部分的に、前述の請求の範囲を定義したものであり、本発明の主題の全てが公衆に公開されたものではない。
【図１】
2019021628.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2019021628.tif 000007
【図３Ｃ】
2019021628.tif 000008
【外国語明細書】
2019021628000001.pdf