일반적으로 전조등이라고도 하는 헤드 램프는 차량이 진행하는 전방의 진로를 비추는 기능을 하는 조명등으로서, 기존의 차량용 헤드 램프는 다양하게 변화하는 도로의 상황에 상관없이 고정된 빔 패턴을 운전자에게 제공하고 있지만, 최근에는, 차량이 주행함에 따라 연속적으로 변화하는 도로 및 주변 상황에 맞추어 빔 패턴을 최적 상태로 변화시켜 운전자가 다양한 도로 상항에 적합한 시야를 확보할 수 있도록 하는 적응형 전조등 장치(Adaptive Front Lighting System, 이하 'AFLS'이라 함)가 개발되고 있다.
도 1은 일반적인 프로젝션 타입의 헤드 램프의 구성을 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 프로젝션(Projection) 타입의 헤드 램프는 광원(10)과, 광원(10)에서 방출되는 광을 반사시켜 집광하는 반구형의 반사경(20)과, 광원(10)에서 방출되는 광을 굴절시켜 전방향으로 조사하는 비구면 렌 즈(30)와, 광원(10)에서 방출되는 광의 일부를 차단하는 램프 실드(40) 등을 포함하며, 상기 램프 실드(40)의 상단부에는 반사경(20)에 의해 반사된 광이 비구면 렌즈(30)로 상향 입사되도록 반사하는 시그널 플레이트(Signal plate)(41)가 고정되어 설치된다.
상기와 같은 구성을 갖는 일반적인 프로젝션 타입의 헤드 램프는 클리어(Clear) 타입의 헤드 램프와는 달리 반사경(20)에 의해 반사된 광이 반사경(20)의 초점 부위인 램프 실드(40)의 상단부에 집광되므로, 램프 실드(40) 상단부의 형상을 변화시키거나 램프 실드(40)를 회전 또는 좌우 이동시킴으로써, 다양한 빔 패턴을 구현할 수 있다. 또한, 반사경(20)에 의해 반사된 광이 램프 실드(40)의 시그널 플레이트(41)에 의해 비구면 렌즈(30)로 상향 입사되도록 함으로써, 야간에 차량 주행시 도로 표지판 등의 식별을 위한 전방 시야를 확보할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 일반적인 프로젝션 타입의 헤드 램프는 시그널 플레이트(41)가 램프 실드(40)에 고정되어 있으므로 램프 실드(40)를 좌우 이동시키거나 회전시켜 다양한 빔 패턴을 형성하는 구성에 대해서는 다양한 빔 패턴 구현에 따른 Signal 법규를 전부 만족시키는데 한계가 있다.
또한, 시그널 플레이트(41)를 적용하는 경우 수평부 광도의 손실(도 2의 ① 표시영역)이 발생하므로, 야간 노면 성능의 전방 시계 확보에 어려운 문제가 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발 명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 램프 어셈블리를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 어셈블리를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 분해 사시도이고, 도 5a, 5b 및 5c는 도 3 및 4에 나타낸 시그널 렌즈의 확대 사시도, 평면도 및 단면도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 어셈블리의 구성을 도시한 개략도이다.
도 3 내지 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 헤드 램프 어셈블리는 광원(100), 반사부(200), 제 1 렌즈(300), 차단부(400), 제 2 렌즈(500) 및 하우징(600) 등을 구비한다. 여기서, 본 발명의 차량용 헤드 램프 어셈블리는 광원(100)에서 방출되는 광을 한 곳으로 모아주는 특성을 가지는 프로젝션 타입에 적용되어 일반적인 클리어 타입보다 배광면에서 유리하고, 차량 전면 형상에 스포티한 미관을 부여한다.
상기 광원(100)은 차량의 전방을 조명하기 위한 광을 제공하는 역할을 하며, 통상의 고전압방출(HID), 할로겐 광원 및 LED 광원 등을 사용할 수 있다. 광원(100)은 상기 반사부(200)의 제 1 초점에 위치한다.
상기 반사부(200)는 소정 형상, 예컨대 반구형의 반사경(이하, 참조부호 '200'으로 설명함)으로서, 광원(100)에서 방출되는 광을 전방으로 반사시켜 집광하는 역할을 한다. 상기 반사경(200)의 내측 반사면에는 알루미늄이나 은과 같은 반사계수가 높은 물질을 증착시킨 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 제 1 렌즈(300)는 광원(100)과 소정 거리를 두고 상기 하우징(600)의 전면에 고정 리브(310)에 의해 고정되는 소정의 굴절률을 갖는 통상의 비구면 렌즈(이하, 참조부호 '300'으로 설명함)로서, 광원(100)에서 방출되는 광을 굴절시켜 전방 조명방향으로 조사하는 역할을 한다. 상기 비구면 렌즈(300)는 렌즈의 광입사면이 평면이고 광출사면이 볼록면 형상을 갖는다.
상기 차단부(400)는 광원(100)과 비구면 렌즈(300) 사이에 위치하는 램프 실드(Shield)(이하, 참조부호 '400'으로 설명함)로서, 광원(100)에서 방출되는 광의 일부를 차단하는 역할을 한다. 보다 상세하게는, 상기 램프 실드(400)는 하이 빔(high beam)을 조사하는 경우를 제외하고, 광원(100)에서 방출된 광 중 하방향으로 방출된 광이 반사경에 반사되어 상방향으로 진행하는 광을 차단함으로써, 다른 운전자에게 불편을 주지 않도록 한다. 램프 실드(400)는 반사경(200)의 제 2 초점, 즉 비구면 렌즈(300)의 초점에 위치한다. 본 실시예에서 램프 실드(400)는 광 경로에 교차하도록 배치된 원통형의 외주면에 소정 높이로 축방향으로 돌출 형성되며, 실드 구동유닛(410)에 의해 회전 또는 좌우 이동 가능한 구성을 예시하였으나, 램 프 실드(400)는 그 밖의 다양한 형상으로 형성될 수 있고, 하우징(600) 내에 고정된 구성도 가능하다. 상기 실드 구동유닛(410)은 구동 모터(411), 스크류(412), 실린더(413), 탄성부재(414) 및 고정편(415) 등을 구비한 공지 기술을 포함한다. 램프 실드(400) 및 실드 구동유닛(410)은 하우징(600) 내에 고정된 브래킷(420)에 창착된다.
상기 제 2 렌즈(500)는 비구면 렌즈(300)와 램프 실드(400) 사이에 위치하는 소정의 굴절률을 갖는 시그널 렌즈(Signal lens)(이하, 참조부호 '500'으로 설명함)로서, 광원(100)으로부터의 광을 1차 굴절시키는 역할을 한다. 시그널 렌즈(500)는 광원(100)과 비구면 렌즈(300) 사이에 존재하는 공기보다 밀한 매질에 해당한다. 즉, 시그널 렌즈(500)의 굴절률(Ns)은 공기의 굴절률(Na=1) 보다 크며, 바람직하게는 Ns=1.47이다. 시그널 렌즈(500)는 비구면 렌즈(300)와 소정 간격(d), 대략 0.5mm ~ 1mm 정도의 간격을 두고 이격되게 위치하며, 바람직하게는 시그널 렌즈(500)는 비구면 렌즈(300)가 결합되는 전방 하우징(610)의 전면 개구부의 일측에 형성된 고정홈(611)에 고정된다. 본 실시예에서는 시그널 렌즈(500)가 비구면 렌즈(300)의 후면 하부에 위치하는 구성을 예시하였으나, 시그널 렌즈(500)가 비구면 렌즈(300)의 후면 상부에 위치하거나 비구면 렌즈(300)의 후면 상부 및 하부에 위치하도록 구성할 수도 있다. 시그널 렌즈(500)는 렌즈의 두께가 하부에서 상부로 갈수록 두껍게 형성된다. 시그널 렌즈(500)는 렌즈의 광입사면(501)이 하향으로 경사지게 형성되고, 광출사면(502)이 비구면 렌즈(300)의 후면과 나란하게 형성된다. 시그널 렌즈(500)는 비구면 렌즈(300)에서 전방향으로 조사되는 광의 수평 광도 손 실을 보상하기 위한 광도 보상부(510)를 포함한다.
상기 광도 보상부(510)는 시그널 렌즈(500)의 광입사면(501) 중앙에 소정의 곡률 반경을 갖는 볼록 또는 오목한 곡면이 다수개 형성된다. 광도 보상부(510)의 다수 곡면(510a, 510b, 510c, 510d)은 광의 수평 광도 보상 정도에 따라 서로 상이한 곡률 반경을 갖는다. 예를 들어, 광의 수평 광도 보상 정도가 크게 요구되는 영역에 해당하는 부위는 다른 부위에 비해 광도 보상부(510) 곡면의 곡률 반경을 보다 크게 설계하는 것이 바람직하다. 광도 보상부(510)의 다수 곡면(510a, 510b, 510c, 510d)은 수평 또는 수직 방향으로 나란하게 형성된다. 본 실시예에서는 광도 보상부(510)를 시그널 렌즈(500)와 일체로 형성한 구성을 예시하였으나, 광도 보상부(510)를 별개의 부재로 형성하여 시그널 렌즈(500)에 부착할 수도 있다.
상기 하우징(600)은 전방 하우징(610)과 후방 하우징(620)의 결합으로 구성되며, 하우징(600)의 전면에 비구면 렌즈(300)가 결합되고, 후면에 반사경(200)이 결합되며, 내부에 광원(100), 시그널 렌즈(500), 램프 실드(400) 및 실드 구동장치(410) 등을 수용한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 헤드 램프 어셈블리는, 광원(100)에서 방출된 광은 반사경(200)에 의해 반사되어 광원(100)의 전방향으로 집광된다. 상기 광원(100)에서 방출된 광 중 상방향으로 방출된 광은 반사경(200)에 반사되어 하방향으로 진행되고, 하방향으로 방출된 광은 반사경(200)에 반사되어 상방향으로 진행한다. 그런데, 하이빔을 조사하는 경우를 제외하고는, 상기 하방향으로 방출되어 상방향으로 진행하는 광은 램프 실드(400)에 의하여 차단 됨으로써 다른 운전자에게 불편을 주지 않도록 되어 있다. 또한, 상기 상방향으로 방출되어 하방향으로 진행하는 광은 시그널 렌즈(500) 및 비구면 렌즈(300)를 순차적으로 투과하여 2중 굴절되어 상향으로 조사된다. 이때, 램프 실드(400)를 회전 또는 좌우 이동시켜 AFLS의 다양한 빔 패턴 구현에 따른 Signal 법규를 만족시킨다.
보다 상세하게는, 도 9a는 초기 전체 빔 패턴을 보여주는 도면으로, 광원(100)에서 방출되는 광은 반사경(200)에 의해 반사되어 전방으로 집광된 후 비구면 렌즈(300)를 투과하여 전방 조명 방향으로 조사된다. 도 9b는 램프 실드에 의해 광의 일부가 차단된 상태를 보여주는 도면으로, 광원(100)과 비구면 렌즈(300) 사이에 설치된 램프 실드(400)에 의해 반사경(200)의 하측면에서 반사되어 상방향으로 조사되는 광의 일부가 차단됨으로써, 야간에 대향차의 운전자에게 불편을 주지 않도록 되어 있다. 도 9c는 시그널 렌즈의 추가 적용시 빔 패턴을 보여주는 도면으로, 램프 실드(400)와 비구면 렌즈(300) 사이에 시그널 렌즈(500)를 추가 구성함으로써, 광원(100)으로부터의 광은 시그널 렌즈(500)에 의해 1차 굴절되고 비구면 렌즈(300)에 의해 2차 굴절된 후 광 경로가 상방향으로 변경되어 조사된다(도 7의 화살표 방향 참조). 참고적으로, 광은 서로 다른 매질의 경계면으로 진행할 때 매질의 굴절률 차이에 따라 광의 진행 속도가 다르기 때문에 광의 진행 경로가 꺽이는데 이 현상을 굴절(reflection)이라 한다. 이러한 굴절 현상에 의하면, 굴절률(N)이 큰 밀한 매질에서 상대적으로 굴절률(N)이 작은 소한 매질로 광이 진행하면 입사각 보다 굴절각이 커지게 되고, 소한 매질에서 밀한 매질로 광이 진행하면 입사 각보다 굴절각이 작아지게 된다. 예를 들어, 도 8을 참조하여 본 발명의 시그널 렌즈(500) 및 비구면 렌즈(300)에서 주변 공기와의 굴절률(N) 차이에 따른 광의 경로 변경을 간략하게 설명하면, 시그널 렌즈(500)는 공기의 굴절률 Na=1 보다 큰 굴절률 대략 Ns=1.47을 갖는다. 따라서, 소한 매질인 공기에서 밀한 매질인 시그널 렌즈(500)로 광이 진행하면 입사각(α) 보다 굴절각(β)이 작게 되어 광의 경로가 상승하도록 1차 굴절된다. 시그널 렌즈(500)를 통과하여 출사된 광은 시그널 렌즈(500)와 비구면 렌즈(300) 사이의 소한 매질인 공기층을 통과시 거의 미소하게 하강하여 비구면 렌즈(300)로 입사된다. 이때, 비구면 렌즈(300)의 굴절률 Np은 공기의 굴절률 Na 보다 크고 시그널 렌즈(500)의 굴절률 Ns 보다 크거나 같기 때문에, 소한 매질인 공기에서 밀한 매질인 비구면 렌즈(300)로 광이 진행하면 입사각(α')보다 굴절각(β')이 작게 되어 광의 경로가 상승하도록 2차 굴절되며, 비구면 렌즈(300)를 통과한 후 전방향으로 상향 출사된다.
또한, 본 발명에 의하면 시그널 렌즈(500)의 광입사면(501)에 구비된 광도 보상부(510)에 의해 수평 광도가 보상되어(도 9c의 ② 표시영역), 시그널 렌즈(500) 및 비구면 렌즈(300)를 순차적으로 투과하여 조사되는 광은 수평방향으로 평평하고 부드러운 패턴을 형성한다. 따라서, 야간에 차량 주행시 전방의 표지판 및 대향차에 대한 인식을 용이하게 할 수 있다.
도 10a는 시그널 플레이트를 적용한 일반적인 차량용 헤드 램프의 노면 성능을 보여주는 그래프이며, 도 10b는 시그널 렌즈를 적용한 본 발명에 따른 차량용 헤드 램프의 노면 성능을 보여주는 그래프이다.
도 10a 및 10b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 헤드 램프 어셈블리는 비구면 렌즈(300)와 램프 실드(400) 사이에 시그널 렌즈(500)를 추가 적용하여 시그널 렌즈(500) 및 비구면 렌즈(300)를 순차적으로 투과하여 2중 굴절되도록 함으로써, 기존의 시그널 플레이트(41, 도 1 참조)를 적용한 헤드 램프와 대비하여 수평 광도 효율을 대략 12% 정도 증대시켜(도 10b의 ⓐ 표시영역) 수평부 시인성을 향상시킬 수 있다. 또한, 야간 노면 성능의 전방 시야를 대략 9% 정도 증대시켜(도 10b의 ⓑ 표시영역) 야간 운전자의 원거리 시인성을 향상시킬 수 있다.
또한, 시그널 플레이트(41)가 램프 실드(40)에 고정된 종래기술과는 달리, 본 발명에 의하면, 시그널 렌즈(500)가 비구면 렌즈(300)와 램프 실드(400) 사이에 위치하므로 램프 실드(400)의 회전 또는 좌우 이동에 상관없이 시그널 렌즈(500)는 항상 일정한 위치를 유지하게 되어 AFLS의 다양한 빔 패턴 구현에 따르는 Signal 법규를 전부 만족시킬 수 있다. 따라서, 기존 보다 원거리의 시야 확보가 필요한 고속 주행 시, 주변의 조명이 다른 도로에 비해 상대적으로 밝아 헤드 램프의 밝기에 대한 의존도가 상대적으로 떨어지는 도심 주행 시, 비나 눈 혹은 젖은 도로의 반사로 인해 대향차의 눈부심이 증가하고 시야가 감소하는 악천후 시에 차량 주행을 할 때는 운전자가 안전 운전을 할 수 있는 적절한 시야를 확보할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이 며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.