灯泡状LED光源

摘要

【问题】提供一种灯泡状LED光源，可提高外球管上的亮度均匀度，换句话说，可在不降低效率的情况下减少光不均匀性的发生。【解决问题的方法】根据本发明的灯泡状LED光源的特征在于，至少n（自然数4或以上）个LED元件（4）以基本上平面的方式设于外球管（5）内；每个LED元件（4）的光分布角度至少为60°和120°或以下；光分布角度内的光分布区域重叠，在光分布区域内，每个LED元件（4）将光照射到外球管（5）的内表面上；一部分重叠包括n个重叠光分布区域，n个重叠光分布区域包括外球管（5）的至少10%、不超过80%的内表面。

权利要求

1.一种灯泡状LED光源，所述光源是这样一种类型的光源，其具有内置发光电路并且可用商用电源点亮，所述光源在约2π球面度的范围内发光，并且使用LED元件(发光二极管)作为光源，具有电灯泡状外观并且不具有电灯泡的较广光分布范围，作为具有E或B型金属帽的白炽灯泡的替代光源，进一步模仿白炽灯泡在LED光源前方具有外球管，其特征在于：至少n个所述LED元件设于所述外球管内基本为平面状的衬底的同一表面上，其中，n为自然数4或以上；每个所述LED元件的光分布角度为60°到120°，所述光分布角度的中心轴与所述基本为平面状的衬底的所述表面垂直；

所述光分布角度内的光分布区域重叠，在所述光分布区域内，每个所述LED元件将光照射到所述外球管的内表面上；

所述重叠的包括所述外球管在灯的所述中心轴上的所述内表面上的一部分包括n重重叠的所述光分布区域，n重重叠的所述光分布区域包括所述外球管的至少10％、不超过

80％的所述内表面。

2.根据权利要求1所述的灯泡状LED光源，其特征在于，任何所述LED元件的所述光分布区域中没有包括的区域小于所述外球管的所述内表面的30％。

说明书

灯泡状LED光源

技术领域

[0001] 本发明涉及灯泡状LED光源。

背景技术

[0002] 在灯泡状光源中，外球管降低了固有透射率，因此，从发光效能的角度来说，起反作用，但LED（发光二极管）具有高亮度，因此用于一般照明时会产生眩光。为了抑制眩光，已知的是，在LED光源的前方设置具有光漫射效果的乳白色外球管。

[0003] 例如，图7为常规LED灯泡200的截面图。LED灯泡200的目的在于提供一种LED灯泡，使用这种LED灯泡，可通过简单配置在较广照明区域内获得具有均匀亮度的白色光，可简单更改光分布图案，可直接将其与普通商用电源直接连接，可与常用白炽灯泡兼容。

[0004] LED灯泡200包括盖子202，盖子202一端设有金属帽201，以喇叭形向另一端的开口加宽；外球管205，在其内表面上具有光漫射层206，装配在盖子202的开口上；衬底203，设于基本为球形的本体207上，本体207由盖子202和外球管205构成；LED元件204，安装在衬底203朝向外球管205的外表面上。进一步，外球管205还可包括具有光漫射效果的均匀材料（例如，聚丙烯）。

[0005] 进一步，衬底203为片状，与盖子202的开口的外表面平行。换句话说，多个LED元件204设于平面衬底203上（例如，参见专利文献文章1）。

[0006] 【现有技术文献】

[0007] 【专利文献】

[0008] 【专利文献文章1】日本专利公开2001-243807

发明内容

[0009] 【本发明要解决的问题】

[0010] 采用这种LED灯泡200，LED元件204发出的光照亮外球管205，在某些区域中，多个LED元件204发出的光重叠，而其他部分处于被照亮区域之外。换句话说，存在亮度不均匀的问题。

[0011] 进一步，由于LED元件204设于朝向同一照明方向的同一衬底203上，即使商品的形状与电灯泡看起来相同，光分布特性与电灯泡或灯泡状荧光灯完全不同，因为发出的光仅集中在一个方向，与衬底203的表面垂直，如同聚光灯。常规来说，如果用作光源为白炽灯泡的照明器材中的替代光源，存在这样一个缺点：整个房间的照明强度分布大大改变，一般来说，与替换之前的情况相比，天花板和墙壁变得非常黑暗。

[0012] 进一步，用作射灯的光源时，光在墙壁上的分布被认为并不特别重要，因此光分布倾向于沿轴线集中，使直接向下的照明强度与白炽灯泡相同。这种情况下，与中心轴垂直的分布光的分量相对减少，其中分布光的分量容易漫射，且易于在外球管205上受到损失，因此发光效能增加，但仅发光表面的中心具有高亮度，外管表面上的亮度均匀度降低，因此存在这样一个缺点：产生不均匀性，此外，黑暗的墙壁也变得更加明显。

[0013] 进一步，将n（LED元件204的数量，其中，n为自然数）设为非常大的值看起来可解决上述问题。但是，在实践中，不可能在具有有限表面面积的衬底203的表面上设置大量LED元件204，此外，从成本的角度来说，可销售性会下降，进一步，温度会变得过高，减少LED元件204的工作寿命，大大牺牲了LED的特征，即，其工作寿命长的特性。

[0014] 增加外球管205的漫射，降低其透射率，会提高亮度均匀度，但这也会导致灯本身发光效能的下降。

[0015] 影响发光效能的一个因素在于，通过与照明光的光轴垂直的漫射过滤器（外球管205），几乎所有光进入并通过过滤器介质，同时受到衰减。这称为直线透射。但是，如果光倾斜进入过滤器，其光轴与过滤器之间呈一个角度，一部分光会被反射，无法进入过滤介质。
在使用LED灯泡200的情况下，在外球管205内反射的光进一步多次反射，并分成照射到外球管205之外的光和在外球管205内损失的光。换句话说，采用具有不与光轴垂直的外球管205的部分，内部损失随着低入射角部分的增加而增加，总发光效能下降。因此，如果具有较窄光分布角度的多个LED以平面方式设置，平面漫射板与所有LED光轴垂直安装，上述损失会下降，但作为白炽灯泡的替代物，其性能将会削弱。

[0016] 如果LED灯泡200的使用在未来更加普及，产品被开发出具有多种光分布图案，使用者将能根据应用选择产品。但是，目前来说，由于成本、销售价格和销量的限制，实际上，并没有具有多种光分布图案的产品可用，并且主要设计策略是，使得直接向下的照明强度与现有白炽灯泡的相等。我们研究了“直接向下的照明强度”、“墙壁上的分布”和“光源本身的亮度均匀度（不均匀亮度的缺失程度）”的元素之间的平衡，以达到实际使用的最佳状态。因此，目的在于，在不增加LED元件204的固有效率，不增加分布到墙壁上的光，同时保持直接向下的照明强度的情况下，通过优化当前总光量的分布方法，以拓宽应用领域。

[0017] 本发明的目的在于提供一种可提高与白炽灯泡相似的外球管上的亮度均匀度，换句话说，可在不降低效率的情况下减少光不均匀性的发生的灯泡状LED光源，由此解决例如上述问题。

[0018] 进一步，可构思这样一种设计手段：使用多个LED元件，每个的光分布角度根据情况有所不同。但采用这种方法会使工业过程很复杂，并且，即使使用的LED元件的总数量相同，也会有多种不同类型，因此，批量生产的能力会下降，成本会增加，准备材料的交付周期会延长，因此，前提是不采用这种方法。

[0019] 进一步，还构思了这种方法：每个LED的光轴在不改变光分布角度的情况下变化，我公司已将其商品化，名为Parathom Classic A。但从工业角度来说，这种方法的问题在于，LED无法直接安装于单个衬底的表面上，因此没有包括在我们的研究中。

[0020] 因此，为了解决当前问题，将要采用的设计方法限于这种设计：所有LED元件具有相同光分布角度，免除了LED元件的复杂识别或不同用途的需要，LED元件在衬底上以相同照明方向安装，所有光轴均处于与衬底表面垂直的方向。

[0021] 此处，设计优选为，下半球的光均匀分布，上半球具有相似的光分布，但实际上，目前还不存在满足这种需求的LED元件，因此，我们的目标是这种设计：下半球的光分布尽可能均匀，直接向下的照明强度在某种程度上进行分布。

[0022] 进一步，外球管的直线透射率设为约90%。但是，该透射率是一种基本与本发明独立的现象，本发明的优点并不限于90%。

[0023] 如图8所示，如果LED元件的中心轴上的光强度定义为100%，光分布角度为从中心轴到光强度下降为中心轴上的值的50%的角度的二维角度，其中，所述角度为从LED的发光中心看的中心轴开始的角度。换句话说，在中心轴两侧的角度上，光强度均下降到50%。因此，虽然在实践中少量光照射到该区域之外，但光分布区域在本文中定义为LED的光分布角度内的区域，以使设计验证明确无歧义。

[0024] 【解决问题的技术手段】

[0025] 根据本发明的灯泡状LED光源，这种类型的光源具有内置发光电路，可用商用电源点亮，在约2nSt（球面度）的范围内发光，使用LED（发光二极管）单元作为光源，具有电灯泡状外观，不具有电灯泡的较广光分布范围，作为具有E或B型金属帽的白炽灯泡的替代光源，进一步模仿白炽灯泡在LED光源前方设有外球管，其特征在于：

[0026] 至少n（自然数4或以上）个LED元件设于外球管内基本为平面状的衬底的同一表面上；

[0027] 每个LED元件的光分布角度至少为60°和120°或以下，光分布角度的中心轴与上述基本为平面状的衬底的表面垂直；

[0028] 光分布角度内的光分布区域重叠，在光分布区域内，每个LED元件将光照射到上述外球管的内表面上；上述重叠的一部分（包括上述外球管在灯中心轴上的内表面上的部分）包括n个重叠光分布区域，n个重叠光分布区域包括至少10%、不超过80%外球管的内表面。

[0029] 根据本发明的灯泡状LED光源，其特征在于，任何LED元件的光分布区域中没有包括的区域小于外球管的内表面的30%。

[0030] 【发明优点】

[0031] 使用根据本发明的灯泡状LED光源，通过采用上述配置，可在不降低效率的情况下提高外球管上的亮度均匀度，换句话说，减少光不均匀性的发生。

附图说明

[0032] 【图1】显示了实施例1的方式，为灯泡状LED光源100的侧视图（a）和正视图（b）的示意图。

[0033] 【图2】显示了实施例1的方式，为灯泡状LED光源的光分布特性的示意图。

[0034] 【图3】显示了实施例1的方式，为LED元件的数量n=3时外球管上的光分布区域的示意图。

[0035] 【图4】显示了实施例1的方式，为LED元件的数量n=4时外球管上的光分布区域的示意图。

[0036] 【图5】显示了实施例1的方式，为LED元件的数量n=5时外球管上的光分布区域的示意图。

[0037] 【图6】为比较示例1至7和实施例1至4的设计参数和评估结果的示意图。

[0038] 【图7】为常规LED灯泡200的截面图。

[0039] 【图8】为定义了LED元件的光分布角度的示意图。

具体实施方式

[0040] 实施例1的方式。

[0041] 图1至图6为实施例1的方式的示意图，其中，图1为灯泡状LED光源100的侧视图（a）和正视图（b）；图2为灯泡状LED光源的光分布特性的示意图；图3为LED元件的数量n=3时外球管上的光分布区域的示意图；图4为LED元件的数量n=4时外球管上的光分布区域的示意图；图5为LED元件的数量n=5时外球管上的光分布区域的示意图；图6为比较示例1至7和实施例1至4的设计参数和评估结果的示意图。

[0042] 如图1所示，灯泡状LED光源100设有金属散热部件2，所述金属散热部件2一端设有金属帽1，以喇叭形向另一端的开口加宽。其包括散热部件2、外球管5，其内表面上具有光漫射层6并装配在盖子2的开口上、设于由散热部件2和外球管5构成的基本为球形的本体7内的衬底3，以及，安装在朝向外球管5的衬底3的外表面上的LED元件4。

[0043] 当前实施例方式中的灯泡状LED光源100具有以下特性。

[0044] （1）光源为LED元件4（发光二极管）。

[0045] （2）具有灯泡状外观（见图1）。

[0046] （3）不具有电灯泡的较广光分布范围，是一种具有内置发光电路，可用商用电源点亮，在约2n StRad（球面度）的范围内发光的光源。

[0047] （4）是具有E型金属帽（例如，E26金属帽或E17金属帽）或B型金属帽（如JIS C7709-1所述）的白炽灯泡的替代光源，模仿白炽灯泡，进一步在LED光源前方具有外球管5。

[0048] （5）至少n（自然数4或以上）个LED元件4以平面状的方式设于外球管5内衬底3的同一表面上。

[0049] （6）每个LED元件4的光分布特性（光分布角度）至少为60°和120°或以下（光分布角度的细节参见图2和图8）。应注意的是，采用120°或以上的LED元件4，光分布角度较宽，照明角度对于采用外球管5的光源来说过宽，这是因为，虽然没有严重的不均匀亮度问题，但外球管5上的损失较大，作为光源的效率较低，难以增加直接向下的照明强度。

[0050] （7）每个LED元件4的光分布区域重叠，在光分布区域内，光照射到外球管5的内表面上。

[0051] （8）所述重叠包括n个光分布区域重叠的部分，所述n个光分布区域重叠的部分构成外球管5的内表面的至少10%。

[0052] （9）任何LED元件4的光分布区域中没有包括的区域（下文称为零重叠）小于外球管的内表面的30%。

[0053] 对常规LED灯泡200的外球管205上的不均匀亮度的原因的研究表明，不均匀亮度产生的两个原因如下。

[0054] （1）特定LED元件204发出的光以特定角度照射，但从每个LED元件204到照射区域内外球管205的内表面的距离不同。

[0055] （2）存在多个LED元件204发出的光重叠的区域，也存在不重叠的区域。

[0056] 本发明的发明人进行的一系列研究的结果表明，在光不均匀性方面，前者（1）的效果小于后者（2）。

[0057] 一系列研究的结果进一步表明，如果光分布关于一点对称重叠，不均匀性相对不太明显。

[0058] 为了提高外球管5上的亮度均匀度，本发明的发明人对后者（2）进行了研究。结果如图6所示。应注意的是，图6中的比较示例1（1）至比较示例6（6）和实施例（7）至（9）与图3和图4中的（1）至（9）对应，实施例（11）与图5中的（11）对应。对于图6中的比较示例7（10），省略了显示外球管5上的光分布区域的对应示意图。在显示图4（6）中的比较示例6（6）的光分布区域的示意图中，设于同心圆位置上的LED元件4向中心移动。

[0059] n个LED元件4发出的光产生n个重叠光分布区域的最大重叠。根据LED元件4的设置和所选的光分布角度，最大重叠数量可小于n。此处，LED元件4与外球管5的内表面之间的距离仅处于极其有限的范围内，无法成为造成较大差别的原因，因此，亮度往往取决于重叠光分布区域的数量，而不是从LED元件4到外球管5的被照射的内表面的距离的差别。

[0060] 进一步，从外球管5的中心到其圆周的亮度逐渐下降的情况一般不认为是不均匀亮度，换句话说，人们对亮度的渐变不会感到不适。在研究中，亮度均匀度并非通过多次测量单个光源的外球管5上的亮度并在数量上评估其变化而评估，而是通过观察实际光源时感知到的不均匀亮度的有关感官评估而测量，其中，测试者如果感到不适，赋值为X，如果感到一些不适，赋值为Δ，如果没有问题，则赋值为O。设计标准设为，赋值为‘O’的区域为可满足市场的水平。

[0061] 因此，为了增加亮度均匀度，重要的是，选择具有较大光分布角度的LED元件4，使用大量n个LED元件4，将其设于衬底3的中心和/或与衬底3的中心同心的圆上，并使零重叠区域较窄。另一方面，为了增加直接向下的照明强度，重要的是，将有n个重叠的光分布层设于灯（灯泡状LED光源100）的轴线上。为了增加整个灯的发光效率，重要的是，采用光分布角度尽可能窄的LED元件4。

[0062] 为了通过平衡这些矛盾的提议而达到顾客满意度，优选地，将LED元件4的数量n（n为自然数）至少设为四或以上。如图3所示，如果LED元件4的数量n为三，要求LED元件4有非常宽的光分布角度，因此，外球管5内的损失增加，整个灯（灯泡状LED光源100）的发光效能无法令人满意。

[0063] 进一步发现，如果LED元件4的数量n为三，将亮度均匀度和点对称融合在设计中会造成如图3所示的设置，其中，中心点上的重叠是一个问题，且不可能达到较高的直接向下照明强度。因此，n优选为四或以上。在采用90°，n=3的比较示例中，中心产生的光分布区域的重叠数量n=3，但无法同时获得令人满意的亮度均匀度和直接向下照明强度。

[0064] 如果照明角度较宽，n个重叠光分布区域比较容易产生，但另一方面，外球管5内的照明损失增加，因此，光分布角度（图2中为θ1）优选为120°或以下。另外，如果照明角度过窄，难以产生n个重叠区域，因此，光分布角度优选至少为60°。

[0065] 增加直接向下照明强度也是一个重要的设计要素，灯（灯泡状LED光源100）的中心线上的外球管5上应至少有n个重叠光分布区域。

[0066] 进一步，无法获得基本上令人满意的直接向下照明强度，除非外球管5上的n个重叠光分布区域占整体的至少10%。同时，如果LED元件4设于同心圆位置上，目视观察时不均匀亮度不太明显。

[0067] 对于所有LED元件4，使用包括与黄色荧光结合的蓝色LED的典型白色LED元件，每个单元的输出为1001m，额定功耗为1W。随后，准备五种类型，它们唯一区别在于光分布角度，采用30°、60°、90°、120°和150°的光分布角度，一个单元设于图1所示的55mm直径印制衬底3的中心上，在某些情况下，多个LED元件4设于衬底3的中心的同心圆上关于所述单元对称的位置上，以实验的方式制造具有E26金属帽的类型的灯泡状LED灯（灯泡状LED光源100），并进行比较性评估。

[0068] 此处不进行特别说明，但是，由于衬底3的温度升高，在衬底3的金属帽1一侧设置足够的散热介质。进一步，在所有实验灯中，采用直径为60mm，直线透射率为90%，的白色玻璃外球管5，所述白色玻璃外球管包括图1所示的，内表面上涂敷有细硅粉的外球管5。

[0069] 为了进行零重叠区域的参数比较，生产出试产品，其中零重叠区域的比例随着上述同心圆半径的变化而变化。LED元件4的数量n不同，但均按额定数值点亮。毫无疑问，由于LED元件4的数量n增加，完成的灯的总光通量也增加。但是，在当前实验中，总光通量并不统一，但使用n个LED元件4便可标准化（换句话说，除以W，可进行相对评估）。因此，给LED元件4提供一个单元1W功率（注意，计算中没有考虑功率损失），如果有五个单元，则提供5W功率。

[0070] 为了比较效率，使用积分球测量实验灯的总光通量，并以相对值表示，其中，当外管透射率为0.9，采用的LED元件4的数量为n时，100%定义为理论效率（单位：lm/W），表示为：额定输出100（lm/元件）x n（个元件）/n（W）x0.9（外管透射率）。

[0071] 毫无疑问，高效率为优选效率，至少90%被视为满意值。进一步，外球管5上的不均匀亮度称为亮度均匀度，优选地，亮度应在所有点上均匀，但是，与使用荧光灯作为光源的灯泡状荧光灯不同，实际上，外球管5上无法实现均匀亮度，因为光源非常小，具有较高亮度，且具有一定光分布角度。使用者感受到的满意度根据可实现的均匀度的不同而不同。

[0072] 进一步，关于直接向下的照明强度，实验灯以基底向上的状态点亮，使用照度计测量灯下方的照明强度lm，通过用灯的总瓦数除以测量的照明强度，可获得一个值。换句话说，如果使用四个LED元件4的4W直接向下照明强度为52l，直接向下照明强度定义为52/4=13（lx/W）。一般来说，直接向下照明强度至少为10（lx/W）是令人满意的值。毫无疑问，如果设计相同，这通常会以与灯的总功耗成比例的方式增加，因此，为了使使用者获得所需直接向下照明强度，使用者应调整灯泡状LED灯（灯泡状LED光源100）的瓦数或调整使用的灯的数量。

[0073] 在实施例中，一个LED元件4设于衬底5的中间，但不需要一定设于中间。进一步，外球管5的透射率并不限于90%，除玻璃之外，材料还可为树脂。LED元件4设于同心圆上，以便于比较。

[0074] 【参考数字说明】

[0075] 1金属帽、2盖子、3衬底、4LED元件、5外球管、6光漫射层、7基本为球形的本体、100灯泡状LED光源、200灯泡状LED光源、201金属帽、202盖子、203衬底、204LED元件、205外球管、206光漫射层、207基本为球形的本体。