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KR20200105037A - Tir 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치 - Google Patents

Tir 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치 Download PDF

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KR20200105037A
KR20200105037A KR1020190023610A KR20190023610A KR20200105037A KR 20200105037 A KR20200105037 A KR 20200105037A KR 1020190023610 A KR1020190023610 A KR 1020190023610A KR 20190023610 A KR20190023610 A KR 20190023610A KR 20200105037 A KR20200105037 A KR 20200105037A
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light
lens
tir
division
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박광우
주재영
김상유
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한국광기술원
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Abstract

본 발명은 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치를 개시한다. 본 발명은 조명장치의 소형화가 가능하고 조립이 용이하며 선명한 빔 패턴을 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치{HORIZONTAL ARRANGEMENT TYPE MULTI DIVISION-MULTI LIGHTING VEHICLE LIGHTING DEVICE USING TIR LENS}
본 발명은 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 소형화가 가능하고 조립이 용이하며 선명한 빔 패턴을 제공할 수 있는 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량은 야간 주행 시에 차량 주변에 위치한 대상물을 용이하게 확인하기 위한 조명 기능 및 다른 차량이나 도로 이용자들에게 차량의 주행 상태를 알리기 위한 신호 기능을 가지는 램프를 구비한다.
예를 들어, 헤드램프 및 안개등 등은 주로 조명 기능을 수행하고, 방향 지시등, 미등, 제동등, 사이드 마커(Side Marker) 등은 주로 신호 기능을 수행하며, 경우에 따라 조명 기능과 신호 기능을 모두 수행할 수도 있다.
이 중에서 차량용 헤드램프는 차량의 주행 방향과 같은 방향으로 광을 조사하여 야간에 운전자의 시야를 확보하는 필수적인 기능을 가지고 있다.
도 1은 일반적인 차량용 헤드램프를 나타낸 도면으로서, 헤드램프(1)는 다수개의 방열판들을 형성하여 구성되는 본체프레임(10)과, 상기 본체프레임(10)의 상부에는 광원모듈(20)과 리플렉터(30)를 결합하며, 상기 본체프레임(10)의 선두에는 프로젝션렌즈(40)를 홀더 브래킷(50)을 매개로 결합되도록 구성된다.
이와 같은 차량용 헤드램프를 이용하여 차량의 주행 상태, 예를 들어 차량의 주행 속도, 주행 방향, 노면 상태 및 주위 밝기 등에 따라 최적의 운전 환경을 만드는 것이 어렵기 때문에 최근에는 차량의 주행 상태에 따라 배광패턴을 변환하여 주는 적응형 헤드램프 시스템(Adaptive Front Lighting System)이 사용되고 있다.
적응형 헤드램프 시스템은 광원에서 발생된 광의 컷오프 패턴을 서로 다르게 하여 차량의 주행 상태에 따라 적응적으로 배광 패턴을 변환하는 것이다.
최근에는 발광 다이오드를 도입함으로써 종래의 복잡한 램프 구성 및 가공 단계의 증가를 극복하려는 시도가 이루어지고 있으며, 발광 다이오드 자체의 특성으로 인한 램프의 수명 연장 및 작은 크기로 인한 램프의 공간상의 문제를 극복할 수 있다.
한편, 다양한 차량용 램프 중 전조등은 다른 램프에 비하여 다양한 빔 패턴이 사용되고 있다. 예를 들어, 전조등은 차량의 주행 상태, 예를 들어 주행 속도, 주행 방향, 노면 상태 및 주위 밝기 등에 따라 최적의 빔 패턴을 가지는 광을 조사하여 운전자의 시야를 충분히 확보하면서도 주변 차량에게 눈부심이 발생되는 것을 방지하게 된다.
또한, 발광 다이오드가 사용되는 경우에는 각각의 빔 패턴의 광을 조사하면서도 충분한 광량을 확보하기 위하여 하나 이상의 발광 다이오드를 사용하게 된다.
도 2는 종래기술에 따른 차량용 헤드램프의 광원모듈 배치를 나타낸 예시도로서, 개별 점등제어가 가능한 복수의 LED 칩이 어레이 된 광원부(61, 61a, 61b)와, 상기 LED 칩에서 발광된 빛을 집광하여 임의의 배광을 형성하며 투과되도록 출력하는 집광 렌즈(62, 62a, 62b)를 구비한 제1 광원모듈(60)과 제2 광원모듈(60a')과, 제3 광원모듈(60b)을 포함하여 구성되고, 상기 제1 광원모듈(60)과 제2 광원모듈(60a)과, 제3 광원모듈(60b)은 중심축(C)을 기준으로 서로 다른 방향으로 빛을 조사하도록 제1 광원모듈(60)과 제2 광원모듈(60a)과, 제3 광원모듈(60b)이 배치된 것을 특징으로 한다.
그러나, 이러한 종래기술에 따른 차량용 헤드램프는 빔 패턴을 형성하기 위해 복수의 광원모듈을 서로 다른 방향으로 배치함으로써, 빔 패턴의 조정을 위한 에이밍(Aiming) 과정을 통해 헤드램프의 제조과정이 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, 복수의 광원모듈을 설치함으로써, 헤드램프의 크기 및 부피가 증가하는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 등록번호 제10-1307976호(발명의 명칭: 다중 LED 모듈 및 이를 포함하는 차량용 LED 헤드램프)
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 소형화가 가능하고 조립이 용이하며 선명한 빔 패턴을 제공할 수 있는 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예는 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치로서, 개별 점등제어가 가능한 복수의 LED 칩이 장방형상으로 어레이되어 빛을 출력하는 광원부; 상기 광원부에 설치된 LED 칩과 개별 대응하여 설치되고, 상기 LED 칩로부터 입력되는 빛을 집광하여 프로젝션 렌즈부의 구면 수차가 감소되도록 임의의 배광을 형성하며 출력하는 TIR 렌즈부; 및 상기 TIR 렌즈부를 투과한 빛을 결상시켜 출력하는 프로젝션 렌즈부를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 TIR 렌즈부는 출사면이 세로방향의 곡률과 가로방향의 곡률이 서로 다르고, 양의 곡률을 갖는 복수의 렌즈가 배열된 렌즈 어레이로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 TIR 렌즈부는 상기 배열된 렌즈 어레이의 출사면이 빛이 출력되는 광축(c)방향으로 음의 곡률을 갖는 오목형상(d1)으로 배열된 것을 특징으로 한다.
또한, 발명의 실시예에 따른 상기 TIR 렌즈부는 상기 배열된 렌즈 어레이의 입사면이 상기 광원부와 평행한 수평형상(d2)으로 배열된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 프로젝션 렌즈부는 입사면과 출사면이 모두 양의 곡률을 갖는 양면 볼록렌즈 또는 출사면만 양의 곡률을 갖은 볼록렌즈 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 수평방향으로 배열된 조명장치의 소형화가 가능하고 조립이 용이한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 선명한 빔 패턴을 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 차량용 헤드램프를 나타낸 사시도.
도 2는 도 2는 종래기술에 따른 차량용 헤드램프의 광원모듈 배치를 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치를 나타낸 사시도.
도 4는 도 3에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치의 구성을 나타낸 분해 사시도.
도 5는 도 3에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치의 TIR 렌즈와 프로젝션 렌즈의 배치를 나타낸 평면도.
도 6은 도 3에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치의 빔 패턴을 나타낸 예시도.
도 7은 도 3에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치의 TIR 렌즈와 프로젝션 렌즈의 다른 실시예를 나타낸 평면도.
도 8은 도 7에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치의 빔 패턴을 나타낸 예시도.
도 9는 도 3에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치의 동작에 따른 빔 패턴을 나탄낸 예시도.
도 10은 도 3에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치를 이용한 좌측 빔 패턴과 우측 빔 패턴의 조합을 나타낸 예시도.
도 11은 도 3에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치를 이용한 좌측 빔 패턴과 우측 빔 패턴의 조합을 나타낸 다른 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다는 표현은 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, "‥부", "‥기", "‥모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 그 둘의 결합으로 구분될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치의 구성을 나타낸 분해 사시도이며, 도 5는 도 3에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치의 TIR 렌즈와 프로젝션 렌즈의 배치를 나타낸 평면도이다.
도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치(100)는 광원부(110)와, TIR 렌즈부(120)와, 프로젝션 렌즈부(130)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치(100)는 광원부(110)와, TIR 렌즈부(120)와, 프로젝션 렌즈부(130)를 고정하기 위한 램프 하우징(101, 102)을 더 포함하여 구성된다.
상기 램프 하우징(101, 102)은 중공을 형성한 원통형상의 부재로서, 분리 가능한 내측에 설치되는 램프 하우징(101)과 외측에 설치되는 램프 하우징(102)으로 구성될 수 있다.
상기 내측에 설치되는 램프 하우징(101)은 일측단부에 광원부(110)와, TIR 렌즈부(120)가 설치되어 고정되도록 하고, 타측단부에는 프로젝션 렌즈부(130)가 설치되도록 구성된다.
또한, 외측에 설치되는 램프 하우징(102)은 상기 내측에 설치되는 램프 하우징(101)의 타측 단부와 치합하여 결합함으로써, 하나의 램프 하우징으로 구성될 수 있고, 이때 상기 프로젝션 렌즈부(130)는 상기 램프 하우징(101, 102)의 결합을 통해 내측에 설치되는 램프 하우징(101)의 말단에 고정될 수도 있다.
상기 광원부(110)는 독립적인 개별 온/오프 점등제어가 가능한 복수의 LED 칩(110a, 110b)이 장방형상으로 어레이되어 빛을 출력하는 구성으로서, M×N 크기의 매트릭스 형상으로 배치될 수 있다.
본 실시예에서는 12개의 LED 칩을 수평방향으로 배열한 구성을 실시예로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 LED 칩의 개수는 적절하게 변경될 수 있다.
또한, 상기 광원부(110)의 LED 칩(110a, 110b)은 배광영역의 경계부분에서 서로 혼합 및 중첩되지 않고 적절한 배광의 형성과 가변 배광이 제공될 수 있도록 개별 LED 칩(110a, 110b)을 일정 간격, 예를 들면 2㎜ 간격으로 이격하여 설치될 수 있다.
또한, 상기 광원부(110)의 LED 칩(110a, 110b)은 서로 다른 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
즉, LED 칩(110a, 110b) 사이의 간격을 예를 들면, 첫번째 LED 칩(110a)으로부터 마지막 LED 칩까지의 설치 간격을 2㎜, 2㎜ + α, 2㎜ + 2α와 같이, 일정 거리씩 증가시켜 2㎜ ~ 8㎜ 사이의 간격으로 배치함으로써, 서로 중첩되지 않는 빔 패턴을 형성하고, 동시에 상기 LED 칩(110a, 110b)이 이격된 사이(공간)에는 흐릿(Blur)한 빔 패턴이 형성되도록 하여 다양한 빔 패턴이 구현될 수 있도록 한다.
또한, 상기 LED 칩(110a, 110b)은 상기 설치 간격이 2㎜ 이하이면 발광된 빛의 중첩으로 인해 패턴 인식이 어려운 문제가 발생하고, 8㎜ 이상이면 원하는 빔 패턴이 형성되지 않는 문제가 발생한다.
상기 TIR 렌즈부(120)는 광원부(110)에 설치된 LED 칩(110a, 110b)과 개별 대응하여 설치되고, 상기 LED 칩(110a, 110b)로부터 입력되는 빛을 집광하여 프로젝션 렌즈부(130, 130a)의 구면 수차가 감소되는 배광이 형성되도록 한다.
또한, 상기 TIR 렌즈부(120)는 출사면(121)의 단면크기가 입사면(122)의 단면크기보다 크게 형성된 사다리꼴 형상의 육면체 또는 원뿔대 형상으로 구성되어 광원부(110)로부터 입사되는 빛이 입사각에 따라 전반사를 통해 굴절되어 상기 출사면(121)으로 집중될 수 있도록 한다.
또한, 상기 TIR 렌즈부(120)는 출사면(121)이 세로방향의 곡률과 가로방향의 곡률이 서로 다르고, 양의 곡률을 갖는 복수의 렌즈가 배열된 렌즈 어레이로 구성함으로써, 렌즈를 통과한 빛들의 초점이 모이지 않고 초점 주변에 모여서 왜곡되는 것을 방지한다.
또한, 상기 TIR 렌즈부(120)는 상기 배열된 렌즈 어레이의 출사면(121)이 빛이 출력되는 광축(c)방향으로 음의 곡률을 갖는 오목형상(d1)으로 배열되도록 구성하여 상기 TIR 렌즈부(120)를 투과한 빛의 수차가 더욱 감소될 수 있도록 함으로써, 프로젝션 렌즈부(130)를 투과한 빛이 도 6과 같은 배광 패턴을 형성할 수 있도록 한다.
또한, 상기 TIR 렌즈부(120)는 상기 배열된 렌즈 어레이의 입사면(122)이 상기 광원부(110)와 평행한 수평형상(d2)으로 배열되도록 구성되어 상기 광원부(110)로부터 출력된 빛이 입사면(122)에 수직방향으로 입사되거나 또는 입사각에 따라 전반사를 통해 굴절되어 상기 출사면(121)으로 집중될 수 있도록 한다.
상기 프로젝션 렌즈부(130)는 상기 TIR 렌즈부(120)를 투과한 빛을 결상시켜 출력하는 구성으로서, 상기 TIR 렌즈부(120)를 투과한 빛의 패턴 크기가 상/하방향으로 증가되어 출력되도록 한다.
또한, 상기 프로젝션 렌즈부(130)는 입사면과 출사면이 모두 양의 곡률을 갖는 양면 볼록렌즈로 구성될 수 있고, 도 7과 같이, 출사면만 양의 곡률을 갖은 볼록렌즈로 이루어진 프로젝션 렌즈부(130a)로 구성할 수도 있다.
도 7과 같이 출사면만 양의 곡률을 갖는 볼록렌즈로 프로젝션 렌즈부(130a)를 구성하여도, 도 8과 같이 수평으로 배열된 복수의 LED 칩에서 발광된 빛의 빔 패턴이 서로 겹치지 않고, 선명하게 구현할 수 있다.
한편, 도 9는 도 3에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치의 동작에 따른 빔 패턴을 나탄낸 예시도로서, 도 9(a)와 같이 광원부(110)의 모든 LED 칩을 온 시킨 경우 형성되는 빔 패턴(P1, P2)과, 도 9(b)와 같이 일부 LED 칩(110b)을 오프 시킨 경우 형성되는 빔 패턴(P1, P2')을 통해 다중분할 및 다중점등에 의한 선명한 빔 패턴 형성이 이루지는 것을 알 수 있다.
또한, 도 10은 도 3에 따른 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치를 차량에 설치하여 출력한 좌측 빔 패턴과 우측 빔 패턴의 조합을 나타낸 예시도이다.
즉, 도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치(100)를 좌측 헤드램프와 우측 헤드램프에 각각 설치하고, 상기 좌측 헤드램프와 우측 헤드램프에 의해 형성되는 빔 패턴이 수평방향으로 나란히 형성될 수 있도록 에이밍(Aiming)을 수행하면, 좌측 헤드램프에 의해 형성되는 좌측 빔 패턴 이미지(LH)와 우측 헤드램프에 의해 형성되는 우측 빔 패턴 이미지(RH)는 수평방향으로 30°의 배광각과, 수직방향으로 6°의 배광각을 갖는 빔 패턴을 형성할 수 있게 된다.
또한, 도 11은 도 3에 따른 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치를 차량에 설치한 좌측 빔 패턴과 우측 빔 패턴의 조합을 나타낸 다른 예시도로서, 좌측 헤드램프에 의해 형성되는 좌측 빔 패턴 이미지(LH)와 우측 헤드램프에 의해 형성되는 우측 빔 패턴 이미지(RH)는 수평방향으로 30°의 배광각과, 수직방향으로 6°의 배광각을 갖는 빔 패턴을 형성하고, 특히 에이밍을 통해 좌측 헤드램프와 우측 헤드램프에 의해 형성되는 빔 패턴이 중앙(P3)에서 일부 중첩되도록 구성할 수도 있다.
따라서, TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식으로 구성된 조명장치를 통해 다양한 빔 패턴을 선명하게 형성할 수 있게 된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 도면번호는 설명의 명료성과 편의를 위해 기재한 것일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
100 : 조명장치
101, 102 : 램프 하우징
110 : 광원부
110a, 110b : LED 칩
120 : TIR 렌즈부
121 : 출사면
122 : 입사면
130, 130a : 프로젝션 렌즈부
140 : 브래킷

Claims (5)

  1. 개별 점등제어가 가능한 복수의 LED 칩(110a, 110b)이 장방형상으로 어레이되어 빛을 출력하는 광원부(110);
    상기 광원부(110)에 설치된 LED 칩(110a, 110b)과 개별 대응하여 설치되고, 상기 LED 칩(110a, 110b)로부터 입력되는 빛을 집광하여 프로젝션 렌즈부(130, 130a)의 구면 수차가 감소되도록 임의의 배광을 형성하며 출력하는 TIR 렌즈부(120); 및
    상기 TIR 렌즈부(120)를 투과한 빛을 결상시켜 출력하는 프로젝션 렌즈부(130, 130a)를 포함하는 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 TIR 렌즈부(120)는 출사면(121)이 세로방향의 곡률과 가로방향의 곡률이 서로 다르고, 양의 곡률을 갖는 복수의 렌즈가 배열된 렌즈 어레이로 이루어진 것을 특징으로 하는 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 TIR 렌즈부(120)는 상기 배열된 렌즈 어레이의 출사면(121)이 빛이 출력되는 광축(c)방향으로 음의 곡률을 갖는 오목형상(d1)으로 배열된 것을 특징으로 하는 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 TIR 렌즈부(120)는 상기 배열된 렌즈 어레이의 입사면(122)이 상기 광원부(110)와 평행한 수평형상(d2)으로 배열된 것을 특징으로 하는 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로젝션 렌즈부(130, 130a)는 입사면과 출사면이 모두 양의 곡률을 갖는 양면 볼록렌즈 또는 출사면만 양의 곡률을 갖은 볼록렌즈 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 TIR 렌즈를 이용한 수평 배열식 다중분할-다중점등 차량 조명 장치.
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