発光ダイオード電球及び白熱ランプ変換装置

本願は、発光ダイオード(LED)ベースの電球に関連付けられる構造及び方法を含む周辺空間照明、LED電球を白熱ランプに適合するための装置、及び関連する電力供給に関連する。

電力管理能力、電力‐ルーメン効率、及びLEDの製造コストは過去数年にわたって改善されてきている。従って、LEDベースの周辺照明が実用的となってきており、電力消耗の大きい白熱照明の代替としてコンパクト蛍光照明(CFL)技術と競合し始めてきている。

LED照明についての課題は、電力変換及び熱放散要件を含む。LEDアレイは、典型的に低電圧直流(DC)を必要とし、一定電流DC電力供給への住居用電圧交流(AC)により駆動される。白熱灯における光変換は、フィラメントに沿って起こる。未変換電力からの熱が、フィラメントから及びフィラメントを口金(base)に接続するフィラメント支持要素を介して放散される。CFL灯における光変換は、灯の内部表面エリアのかなりのパーセンテージにわたるルミネッセンスを介して起こる。CFLの場合の未変換電力からの熱は、灯の内部全体にわたる関連する水銀放電プロセスにより、及び口金における安定器回路要素により生成される。白熱及びCFL灯の両方の場合において、消耗熱が生成され及び比較的大きな表面エリアにわたって伝導される。

これに対し、周辺照明に有効な電力LEDは、光を発光し、ミリメートルスケールの半導体ダイ表面にわたり熱を生成し、その結果非常に高い熱フラックス(単位面積当たりのワット)となる。ワット当りルーメンの電力有効性が、白熱と較べてLED照明ではずっと高く、CFL灯の有効性に勝り始めている。別の言い方をすれば、LED照明は、生成するルーメン当りの熱が他の2つの技術より一層低い。しかし、LEDダイに関連付けられる非常に小さい発光表面に起因する高熱フラックスは、かなりの消耗熱除去の問題を生じさせる。従って、市販の直接交換タイプのLED灯は、典型的に、大きく、複雑な熱放散要素、及びACから一定電流DCの内部電力供給を含む。各LED電球へのこれらの支持装置の導入は、現在、LED照明の初期コスト対性能比を以前の技術のものと較べて不利にしている。

図1は、本発明の種々の例示の実施例に従ったLED電球を図示する。

図2は、種々の例示の実施例に従った熱搬送コンタクトに配置されるLEDパッケージを含む熱搬送コンタクト構成を図示する。

図3は、種々の例示の実施例に従ったLED電球を図示する。

図4は、種々の例示の実施例に従ったLED電球を図示する。

図5は、種々の例示の実施例に従ったLED電球ランプアダプタを図示する。

図6は、種々の例示の実施例に従ったランプアダプタLED電力供給モジュールを図示する。

図7は、種々の例示の実施例に従ったランプアダプタLED電力供給アッセンブリを図示する。

図8は、種々の例示の実施例に従ったランププラグロックインンデバイスを図示する。

本明細書に記載の実施例は、LED照明における発光、熱放散、及び電力変換の機能を分ける。そうすることにより、コスト効率のよいLED電球の製造が促進され得、既存の白熱電球照明からLED照明サービスへの変換が可能となり得る。

本明細書に開示するLED電球の実施例は、LEDパッケージ内に搭載されるLEDダイから、外部より利用可能な表面を有する集積された熱搬送コンタクトへの熱経路を含む。LED電球は、白熱電球アダプタの雌端において消費者により設置可能である。ランプアダプタは業界標準の電球口金を含み、そのため、それが白熱電球であるかのように白熱電球に設置され得る。ランプアダプタはヒートスプレッダを更に含む。LED電球がランプアダプタに設置されると、ヒートスプレッダは、電球の熱搬送コンタクトに接し、LEDダイにおいて発せられる熱を放散する。

幾つかの実施例は、ランプ適合可能なLED電力供給も含み得る。LED電力供給は、標準的なAC電力アウトレットに差し込まれ、LED電球に集積されるLEDダイに関連付けられる特定の技術に適した電力を提供する。LED電力供給は、その中にLED変換されたランプからランプコードプラグが挿入され得るレセプタクルを含む。ロックインデバイスが、一度挿入されると、LED電力供給からのランプコードプラグのリトラクション(retraction)を防ぐ。ロックインデバイスは、LEDランプとしての用途に変換されると、そのランプが、確実に、標準的なAC電力アウトレットに誤って挿入されないようにすることを助ける。

図1は、本発明の種々の例示の実施例に従ったLED電球100を図示する。LED電球100は、基板110上に搭載される1つ又は複数のLEDパッケージ105を含む。LEDパッケージ105の各々は、1つ又は複数のLEDダイ(例えば、ダイ111)を含む。LEDダイ111は、これらに限定されないが、有機LEDプロセス、ポリマーLEDプロセス、量子ドットLEDプロセス、ハーフサイクルAC LEDプロセス、及び/又はエレクトロルミネッセンスに関与するプロセスを含む、種々の進化しつつあるプロセス及び技術に従って製造され得る。

幾つかの実施例において、パッケージ搬送基板110は、例えば、堅い回路基板又は可撓性回路など、導体搬送電気的絶縁材料を含み得る。幾つかの実施例において、LEDパッケージ搬送基板110は、LED電球100に組み込まれるヒートシンクの2つ又はそれ以上の電気的に絶縁された部分として構成され得る。後者の場合、LEDパッケージ105は、ヒートシンクの電気的に絶縁された部分に直に取り付けられ得る。

LED電球100は、1つ又は複数の熱導体(例えば、熱導体113A及び/又は113B)を更に含む。熱導体113A、113Bは、ダイ111から離して熱を搬送するためLEDダイ111に結合される。幾つかの実施例において、熱導体(例えば、導体113A)は、ダイ111への電気的接続としても機能し得、基板110上及び/又は基板110を介する経路として構成され得る。区分されたヒートシンクにLEDパッケージが直に取り付けられる実施例において、熱導体(例えば導体113B)は、ヒートシンク自体に組み込まれ得る。

LED電球100は、1つ又は複数の一体型(integral)熱搬送コンタクト(例えば、熱搬送コンタクト115)を更に含む。この文脈において、「一体型」は、LED電球100の要素として統合されることを意味する。幾つかの実施例において、熱搬送コンタクト115は、図1に示すように、LED電球100の周囲にバンドの形状に形成され得る。熱コンタクト115の多くの他の実施例が本開示により企図される。熱搬送コンタクト115の1つ又は複数の表面が、LED電球100の外部のヒートシンクに熱的に接触するように構成される。熱搬送コンタクト115は、LEDダイ111から離して熱を搬送するように熱導体113A、113Bに及び外部ヒートシンクに熱的に結合される。

LED電球100は、熱搬送コンタクト115に結合される口金120を更に含む。口金120は、熱搬送コンタクト115に電気的に結合され得、又は絶縁体122によりそれから絶縁され得る。口金120は、ソケット内にLED電球100を支持し、LEDパッケージ105へ電力を搬送するための電気的導体を提供する。

口金120は、物理的及び電気的に消費者により容易に設置され得るように構成され得る。口金120の実施例は、安全の目的のため標準的な26mm(米国E26)又は27mm(欧州E27)ねじ込み口金(Edison screw base)ランプソケットへの設置を排除するように構成される。本明細書に開示する口金120の適切な構成は、特に、エンベロープにおける直径が26ミリメートルより短い(E26より小さい)ねじ込み口金、ソケットにおいて対応するレセプタクルと電気的コンタクトするための少なくとも1つの突出するピン(prong)を備えた口金、又は差し込み型(bayonet−style)口金、を含む。

標準より小さいねじ込み口金を用いる実施例において、口金120は、中央の電気的コンタクト125を含み得る。コンタクト125は、絶縁体130によりスレッド128から電気的に絶縁され得る。LEDパッケージ105への電力は、コンタクト125、スレッド128、及び/又は熱搬送コンタクト115を介して搬送され得る。幾つかの実施例において、例えば、LEDダイ111の熱生成カソードが、熱搬送コンタクト115に電気的に接続され得る。後者の場合、熱搬送コンタクト115は、絶縁体122のない口金120の1つ又は複数の要素への、又は絶縁体122がある場合、外部ヒートシンクへの電気的接続を提供するように構成され得る。

LED電球100は、熱搬送コンタクト115、口金120、又はその両方から延びる光透過性エンベロープ112を更に含む。エンベロープ112は、LEDパッケージ105を支持及び保護し、設置の間LED電球100をつかむために用いられ得る。

LEDパッケージ105は、本明細書に記載のLED電球に種々に配置され得る。考慮する要素には、特に、LEDダイ111により生成される消耗熱の熱搬送、電力の搬送、及び光方向及び拡散が含まれる。従って、以下の実施例は、熱伝達コンタクト115を介して外部ヒートシンクへの搬送を介する大量の熱を効率的にシンクすることにより、高電力LEDダイに対応することが可能な構造の例示の実装である。

図2は、種々の例示の実施例に従った熱搬送コンタクト115に配置されるLEDパッケージ105を含む熱搬送コンタクト構成200を図示する。LEDパッケージ搬送基板205が、熱搬送コンタクト115の内周に取り付けられる。構成200は、LEDパッケージ105と熱搬送コンタクト115との間の緊密な熱的結合を提供する。LEDダイ111により生成される熱は、その結果、LED灯100から外部ヒートシンクへ効率的に伝送され得る。熱搬送コンタクト115の傾いた内部形状は、水平から上向きのピッチで360度に光を発光するようにLEDパッケージ105を配置する。結果の光経路は、白熱電球のものと類似する向上した光分散を提供し得る。

図3及び図4は、種々の例示の実施例に従ったLED電球300及び400を図示する。LED電球300は、円筒状ヒートシンク305の周りに取り付けられる実質的に円柱形状のLEDパッケージ搬送基板303を含む。ヒートシンク305は、熱搬送コンタクト115に熱的に結合される。LEDパッケージ105はそのため、ヒートシンク305を介して熱搬送コンタクト115に熱的に結合される。幾つかの実施例において、LEDパッケージ105は、図1を参照して上述したように、ヒートシンク305の電気的に区分されたバージョンに直に取り付けられ得る。幾つかの実施例において、基板303及びヒートシンク305は、透過性エンベロープ312により囲まれ得る。透過性エンベロープ312は、LEDパッケージ105及び円筒状ヒートシンク305のサイズ、形状、及び/又は熱伝達特性に対応するように適合される。

ここで図4に移ると、LED電球400は、LEDパッケージ搬送基板403を含む。基板403は、楕円形状のヒートシンク405の周りに取り付けられる。幾つかの実施例において、ヒートシンク405は球形であってもよい。ヒートシンク405の円筒状拡張部407が、熱搬送コンタクト115に熱的に結合される。幾つかの実施例において、LEDパッケージ105は、図1を参照して上述したように、ヒートシンク405の電気的に区分されたバージョンに直に取り付けられ得る。透過性エンベロープ412が、LEDパッケージ105及び楕円のヒートシンク405のサイズ、形状、及び/又は熱伝達特性に対応するように適合され得る。

図5は、種々の例示の実施例に従ったLED電球ランプアダプタ500を図示する。ランプアダプタ500はアダプタ口金505を含む。アダプタ口金505は、標準的な白熱電球ソケットに設置されるべく雄端510において適合される。例えば、アダプタ口金505の雄端510は、ねじ込み口金26ミリメートル口金(米国規格E26)又はねじ込み口金27ミリメートル口金(欧州規格E27)として構成され得る。

アダプタ口金505は、図1、図3、及び図4を参照して上述したようなLED電球灯100、300、及び400など(後述では、「LED電球100」)を受け入れるように雌端516において適合される。アダプタ口金505の雌端516は、直径が26ミリメートルより短い(E26より小さい)ねじ込み口金、差し込み口金、又はアダプタ口金505の雌端516において対応するレセプタクルと電気的コンタクトするための1つ又は複数の突出するピンを備えた口金、を受け入れるように構成され得る。

ランプアダプタ500はヒートシンクを更に含む。ヒートシンクは、ランプアダプタ500の種々の実施例において種々の形状及びサイズに構成され得る。例えば、ヒートスプレッダ520が、アダプタ口金500を囲むスカート530として形成され得、支持のためアダプタ口金505に機械的に結合され得る。アダプタ500の幾つかの実施例は絶縁体532も含み得る。絶縁体532は、ヒートスプレッダ520をアダプタ口金505から電気的に隔離する。後者の実施例は、電気的アイソレータ122により熱搬送コンタクト115から隔離される口金120を有するLED電球100に関連して用いられ得る。

ヒートスプレッダ520の表面535が、LED電球100の熱搬送コンタクト115に熱的に結合され得る。このように結合されると、ヒートスプレッダ520は、LED電球100がアダプタ口金500に設置されるとき、LEDパッケージ105から熱搬送コンタクト115を介して熱をシンク及び放散させる。熱搬送コンタクト115及びヒートスプレッダ520の構成は、熱放散機能性から照明機能性を分離するために用いられる例示の装置として本明細書に記載される。そうすることにより、いずれか又は両方の機能の効率が改善され得る。例えば、LED電球100の外部のヒートシンクが、電球100に統合される及び/又はLEDパッケージ105に近接して位置する場合、実用的であり得るより大きい可能性がある。金属ランプの全体又はその一部は、ヒートシンクとして動作するように熱搬送コンタクト115に熱的に結合され得る。一層大きいヒートシンク効率により、LEDダイ111が一層低いダイ温度で一層多い光を生成するように過駆動されることが可能となる。

図6は、種々の例示の実施例に従ったランプアダプタLED電力供給モジュール600を図示する。電力供給モジュール600は、電気的コンタクトピン612を含む。コンタクトピン612は、標準的な電気アウトレット及び/又は電気延長コードに差し込むよう適合され、その詳細は地方管轄及び電気規則に従って変化し得る。ここでは例として米国プラグ及びレセプタクルが示されている。電力供給モジュール600は、電気アウトレットからのAC電流を用いるように及びLED電球に関連付けられる1つ又は複数のLED構成要素への電力に適切な電力を供給するように適合される。例えば、電力供給モジュール600は、特に、一定電流DC源として又はハーフサイクルAC電流源として、及び進化しつつあるLED技術に適切なように構成され得る。

電力供給モジュール600は、一体型電気的レセプタクル615を更に含む。電気的レセプタクル615は、電力供給モジュール600に挿入されるランプコードプラグに関連付けられる電気的コンタクトピンを受け入れるように適合される。電力供給モジュール600は、モジュール表面616からモジュール600へ延びるチャネル635を更に含む。チャネル635は、下記で更に説明するようにランププラグロックインリテイナーの拡張部要素を受け入れるように適合される。電力供給モジュール600は、含有する電気的構成要素の内部量及び形状要件、消費者の利便性などにより要求されるように種々の形状及びサイズに構成され得ることに注意されたい。例えば、幾つかの実施例において電気的レセプタクル615及びロックインチャネル635は、図6に示すように広い表面に沿ってではなくモジュール600の側面に沿って配置されてもよい。

図7は、種々の例示の実施例に従ったランプアダプタLED電力供給アッセンブリ700を図示する。電力供給アッセンブリ700は、上述したような電力供給モジュール600を含む。アッセンブリ700はロックインデバイス725を更に含む。ロックインデバイス725は、電力供給モジュール600に及び電力供給モジュール600に挿入されるランプコードプラグ715に結合されるように適合される。ロックインデバイス725は、電力供給モジュール600からのランプコードプラグ715のリトラクションを防ぐ。

幾つかの実施例において、ロックインデバイス725はラテラル部728を含み得る。ラテラル部728は、2つ又はそれ以上のリテイナー拡張部730の各々の一端に結合される。ラテラル部728は、リテイナー拡張部730間の間隔を支持及び維持する。リテイナー拡張部730は、ランプコードプラグ715の一部を囲むように適合され、電力供給モジュール600に統合されるロックインチャネル635への挿入が可能である。ラテラル部728はランプコードプラグ715に接して、リテイナー拡張部730のロックインチャネル635への初期挿入後のランプコードプラグ715の引き抜きを阻止する。

幾つかの実施例において、ロックインデバイスリテイナー拡張部730は、ロックインチャネル635の1つ又は複数の端部に沿った及び対応する端部に沿った ぎざぎざの縁(serrations)を含み得る。このぎざぎざの縁は実質的に鋸歯形状に形成され得る。このような配置により、ロックインチャネル635へのロックインデバイスリテイナー拡張部730の挿入が促進され得、挿入されると電力供給600からのランプコードプラグ715の取り外しが阻止され得る。

図8は、種々の例示の実施例に従ったLEDランププラグロックインデバイス725を図示する。幾つかの実施例において、ロックインデバイス725は、ロックインチャネル635への挿入前の図7のランプコード720周りの設置を促進するためクラムシェル構成に形成され(例えば、インジェクションモールディングされ)得る。クラムシェルの2つの部分は、ヒンジ810(例えば、2つの部分の各々のモールディングされたプラスチック拡張部)により接合され得る。これら2つの部分も各々ランプコード720の周りにフィットするようにチャネル815を含み得る。

白熱−LEDランプ変換キットが、図1〜図4を参照して上述した1つ又は複数のLED電球100を含むようにパッケージングされ得る。変換キット内のLED電球は、図5を参照して上述したLED電球ランプアダプタ500に設置されるべく適合される。変換キットからのランプアダプタ500が、白熱灯の代わりに白熱ランプにおける設置のため適合される。変換キットから導入されるLED電球からの消耗熱は、図5を参照して上述したように、LED灯と一体の熱搬送コンタクト115を介して、ランプアダプタ500のヒートシンク部520に搬送される。図6〜図8を参照して説明したようなランプ適合可能なLED電力供給アッセンブリ700も変換キットに含まれる。LED電力供給モジュール600が、標準的な電気アウトレットに差し込むよう適合される。電力供給600は更に、LED電力供給モジュール600に挿入されるランプコードプラグ715をロックインするように、及びLED電球に適切な電力を供給するように適合される。

本明細書に記載のモジュール及び構成要素は、LED電球100、300、400、ランプアダプタ500、LED電力供給アッセンブリ700の設計により所望とされるように、及び種々の実施例の特定の実装に適切なように、ハードウェア回路要素、光学的構成要素、単一又はマルチプロセッサ回路、メモリ回路、及び/又は、その中/その上に符号化され、プロセッサにより実行され得るコンピュータ命令を備えたコンピュータ可読媒体を含み、その中にストアされたファームウェアを備えた不揮発性メモリを含む(が、非機能性記述要素を含まない)製品、及びそれらの組み合わせを含み得る。

本明細書に記載の装置及びシステムは、白熱−LEDランプ変換以外の用途に有効であり得る。LED電球100、300、400のため、ランプアダプタ500のため、及びLED電力供給アッセンブリ700のための他の用途が存在し得る。本明細書において説明するこれらの装置の例は、種々の実施例の構造の全般的な理解を提供することを意図している。これらは、これらの構造を利用し得る装置及びシステムのあらゆる要素及び特徴の完全な説明として機能することを意図していない。

本明細書に記載の装置及び方法は、LED照明における発光、熱放散、及び電力変換の機能を分離する。そうすることによりコスト効率のよいLED照明が促進され得、既存の白熱電球からLEDサービスへの変換が可能となり得る。LED電球が、LEDダイが生成した熱を灯の外部のヒートシンクに搬送するための熱搬送コンタクトを含む。ランプアダプタが、ランプ適合可能なLED電力供給からランプを介してLED電球に電力を安全に送る。

当業者であれば、本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得ること、及び多くの他の実施例が可能であることが分かるであろう。