KR20120116917A - 정확한 렌즈 정렬을 위한 렌즈 기구 및 방법 - Google Patents

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웨인 길리언
스콧 시버스
조엘 카펠루치
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Abstract

(a) LED 장치(11)를 갖고 LED-지지면(31)을 구비한 실장 기판과 (b) LED 장치와의 사이에 광 경로(21)를 형성하는 렌즈 부재(20)를 포함하는 종류의 LED 기구(10). 독창적인 LED 기구는 앞면과 뒷면(41, 42)을 구비하고 LED 장치가 상기 앞면을 넘어서 돌출되도록 LED 장치를 수용하는 구멍(43)이 형성된 렌즈-정렬 부재(40)를 포함한다. 상기 렌즈 부재는 렌즈부(22)와 플랜지(23)를 포함하고, 상기 플랜지는 렌즈부가 돌출되는 LED 장치를 실질적으로 둘러싸도록 렌즈-정렬 부재의 앞면에 부착된다. 렌즈-정렬 부재는 실장 기판(30)의 제2 결합 요부(34)에 결합 체결되도록 위치하고 배치되는 제1 결합 요부(44)를 구비하여, 렌즈-정렬 부재가 실장 기판에 일치되게 정렬됨으로써 LED 장치에 대하여 렌즈 부재가 일치되게 정렬된다. 본 발명의 다른 측면은 LED 기구 조립 방법과 LED-어레이 모듈용 커스텀 고-효율 LED 렌즈의 생산 방법에 관한 것이다.

Description

정확한 렌즈 정렬을 위한 렌즈 기구 및 방법{LED APPARATUS AND METHOD FOR ACCURATE LENS ALIGNMENT}
본 발명은 조명 기구에 관한 것이고, 보다 구체적으로 LED 에미터를 갖는 종류의 조명 기구의 조립 방법에 관한 것이다.
최근, 다양하고 일반적인 조명을 위해 발광다이오드(LED; light-emitting diode)의 이용이 증가하고 있으며, 이러한 경향은 LED와 통상적으로 "LED 모듈"이라고 지칭되기도 하는 LED-어레이(LED-array)의 발전으로 인해 가속화되고 있다. 또한, 고밀도 방출(HID; high-intensity discharge) 램프와 다른 광원을 이용한 기구들에 의해 제공된 조명 형태가 현재는 급속도로 LED 모듈에 의해 제공되기 시작하였다. 이러한 조명 형태로 다른 것들 중에서, 도로 조명, 주차장 조명 및 공장 조명을 포함한다. LED 모듈을 이용하는 조명 기구의 개선을 위한 독창적인 연구가 계속되고 있다. 후자의 영역이 본 발명에 관련된 영역이다.
광원으로서 LED 모듈을 사용하는 고휘도(high-luminance) 조명 기구는 특히 도전되는 문제를 제공한다. 고휘도, 신뢰성, 및 내구성은 제품 성공을 위해 필수적인 경우, 매우 복잡함으로 인한 높은 비용은 특히 어려운 문제가 된다. 내수성/기밀성 환경에서 LED들과 LED-주변 전자기기들을 유지하는 것이 또한 문제가 될 수 있고, 특히 도로 조명 등과 같은 경우, 조명 기구들은 일정하게 상기 요인들에 노출된다. 복수의 LED 모듈의 사용은 더욱이 문제가 된다.
그러나 또 다른 비용-관련된 과제는 폭넓은 다양한 다른 조명 요구사항들을 충족시키기 위한 높은 융통성을 달성하는 것이 문제이다. 다시 말해, 특정 형태에 적합하게 간주되는 것과 같이 명백하게 크거나 작은 밝기의 양을 제공하도록 적용될 수 있는 기구를 제공하는 것은 어려운 문제다. 조명-기구의 융통성은 LED 조명 기구들의 중요한 목표이다.
조명 기구들을 제품 안전성은 추가적인 영역의 어려움을 만들어내고, 이러한 기구들은 대게 주로 시장에서의 허용되기 위하여 미국 보험협회 안전시험소(UL; Underwriters Laboratories Inc.)와 같은 기관에 의해 미리 정해진 기준들에 맞출 필요가 있다. 기준들의 한 가지 세트는 작동 중에, 더욱 중요하게는 조명 기구의 일부 부품들이 위태롭게 되는 동안인 화재 상황과 같은 기구에 스트레스가 가해지는 동안에 기구의 전기적-활성 부품들에 대한 접근성에 관해 다룬다. UL의 "손가락 테스트"는 특정 "기준" 치수의 사람 손가락이(엔엠에스-제이-324-에이엔씨이(NMX-J-324-ANCE), 유엘1598(UL1598), 2004년 12월 30일, 231페이지의 도 19.22.1에 정의된) 이러한 환경 하에서 기구의 어떠한 전기적-활성 부품들과 접촉할 수 있어서는 안 될 것을 의무화한다. 상기 기준들은 또한 이러한 제품의 인클로저에 포함되는 특정 한정 물질들을 성립하며, 이러한 물질들 전부는 기구들 내의 전압 및 전력 크기에 의존한다.
향상된 제품 안전성은 달성하기에 비쌀 수 있고, 많은 경우에 제품 안전성을 향상시키기 위하여 광학적 효율성을 감소시키게 된다. 예를 들면, 안전성을 향상시키기 위해 글라스 시트 뒤에 기구를 배치하는 것은 광학적 효율성을 10%까지 떨어뜨리게 된다.
LED-기반 조명기구들에서, 전력 공급 비용은 전반적인 기구 비용의 중요한 요소이다. 필요한 정도의 조명을 제공하기 위하여 많은 수의 LED들이 사용된 경우, 결국, 더욱 엄격한 안전 기준을 필요로 하는 큰 전압과 큰 전력을 제공하는 하나의 전원을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 전력은 클래스(Class) 2 전력 공급률을 갖는 전원들은 최대 60 볼트(습식 환경인 경우 30 볼트)에서 100 와트로 제한된다. 다수의 LED들을 갖는 LED-기반 조명 기구들은 클래스 2 전원의 전력과 전압의 한계를 넘는 클래스 1 전원을 사용하는 것이 (비용 및 효율성 측면에서 모두) 이로울 수 있다. 조명 기구에 대한 전력 요구 사항들이 클래스 2 제한보다 큰 경우, 그러면 클래스 1 공급의 사용을 야기하는 더욱 엄격한 안전 기준이 아닌 한은 복수의 클래스 2 전원이 필요하다.
앞서 언급하였듯이, 더욱 엄격한 요구사항들은 렌즈를 구성하는 고분자 물질들과 같은 조명 모듈 부품들이 제거될 가능성이 있는 동안인 특정 화재 상황 하에서 "손가락 테스트"를 만족하는 것을 포함한다. 예를 들면, 유리로 만들어진 1차 렌즈와 고분자 물질로 만들어진 2차 렌즈(secondary lens)를 갖는 LED 장치에서, 1차 렌즈(primary lens)들에 대하여는 제외하고 모듈의 전체 전기적 부분(LED 장치가 실장되는)에 대한 인클로저 배리어를 제공할 필요가 있다. 이러한 상황 하에서, 1차 렌즈가 노출된 상태로 남고 고분자 2차 렌즈들은 불 속에서 파괴될 것으로 예상된다. 또한, 예를 들면, 단일 고분자 렌즈가 1차 렌즈와 2차 렌즈로 사용되는 경우, 그러면 인클로저 배리어는 단일 렌즈가 더 이상 사용되지 않은 상황에서 전자 부품들에 접촉하는 "손가락 접촉"을 방지해야만 한다.
따라서, 일반적인-조명의 조명기구의 요구사항에 도움이 될 수 있고 시장이 요구하고 그리고/또는 선호하는 안전성과 비용-효율성을 모두 제공할 수 있는 개선된 LED 조명 기구들이 필요하다.
요약하면, 조명 분야에서 LED들을 사용하는 조명 기구 생산, 상술한 문제점 및 관련 사항의 해결에 있어서 개선이 명백히 필요하다.
본 발명의 목적은 조명 기구의 사용을 위해 고-효율 LED 모듈들의 향상된 조립 방법을 제공하는 것이고, 이러한 향상된 조립 방법은 상술한 종래 기술에 포함된 문제들과 단점들의 일부를 극복한다.
본 발명의 다른 목적은 고-효율 LED-광 분포를 갖는 비용-절감 LED 기구를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 LED 기구의 효율적이고 정확한 조립을 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 또 다른 목적은 고-효율 LED-광 분포를 갖는 LED-기구를 생산하는 비용-절감 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다양한 다른 종류의 LED-광 분포를 제공하는 LED 기구들을 생산하는 비용-절감 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적과 다른 목적이 어떻게 이루어지는 지는 이하 설명과 도면으로부터 명백해 질 것이다.
본 발명은 발광축을 이루는 LED 장치와 상기 LED 장치와의 사이에서 광 경로를 형성하도록 배치된 렌즈 부재를 구비하는 종류의 LED 기구들을 개선한 것이다. 상기 LED 장치는 LED-지지면을 구비한 실장 기판에 형성된다.
종래 LED 장치들은 반사체와 LED들을 둘러싸는 1차 렌즈들을 포함하는 종류의 LED 패키지가 있었다. 이러한 패키지는 LED 기구 생산에 재료 비용을 추가할 수 있다. 또한, 패키지화된 LED 장치들에 반사체가 있으면 반사된 LED 빛의 방향을 제어하는 데에 복잡함을 부가하기 때문에 광-출력 효율을 감소시킬 수 있다. 그러나 반사체가 LED를 둘러싸는 알루미늄 링의 형태인 경우, 이러한 반사체는 LED 장치에 대한 렌즈 부재 정렬을 위한 참고 표시로서 기능 할 수 있다.
본 발명의 LED 장치는 바람직하게는 반사체나 기본적인 1차 렌즈들이 없이 실질적으로 백색광을 비추도록 구성된 LED를 포함하는 매우 작은 LED 사용할 수 있는 점에서 중요한 장점을 제공한다. LED 장치들의 일부 실시예들은 하나 또는 다수의 발광 LED들을 구비한다. 이러한 다수의 LED들은 같은 파장을 빛을 방출하고 공통-색상의 빛을 제공할 수 있다. 선택적으로, 다수의 다이오드는 다른 파장들의 빛을 방사하므로 다른 색들의 다른 파장의 빛들은 원하는-색의 빛을 만들기 위해 혼합될 수 있다. 본 기술 분야의 기술자는 폭넓은 다양한 이용 가능한 LED 장치들을 이해할 수 있을 것이다.
독창적인 LED 장치는 앞면과 뒷면을 갖고 구멍이 형성된 렌즈-정렬 부재를 포함한다. 상기 구멍은 바람직하게는 상기 LED 장치가 앞면을 넘어서 돌출되도록 그를 통하여 LED 장치를 수용하도록 구성된다. 상기 렌즈 부재는 바람직하게는 렌즈부와 플랜지를 포함한다. 상기 렌즈 부재의 플랜지는 상기 렌즈부가 돌출되는 LED 장치를 실질적으로 둘러싸도록 상기 렌즈-정렬 부재의 앞면에 부착된다. 상기 렌즈-정렬 부재는 바람직하게는 상기 실장 기판의 제2 결합 요부에 결합 체결되도록 배치되고 위치하는 제1 결합 요부를 구비한다. 상기 제1 및 제2 결합 요부는 상기 실장 기판에 대해 상기 렌즈-정렬 부재를 일치되게 정렬함으로써 상기 LED 장치에 대하여 상기 렌즈 부재를 일치되게 정렬한다.
바람직한 실시예들에서, 상기 렌즈-정렬 부재의 뒷면은 상기 실장 기판의 LED-지지면에 인접한다. 상기 제1 결합 요부는 바람직하게는 상기 렌즈-정렬 부재의 뒷면으로부터 돌출되는 돌출부이다. 상기 제2 결합 요부는 상기 돌출부를 수용하고 상기 실장 기판의 LED-지지면에 형성된 상보적인 중공부이다. 상기 렌즈-정렬 부재의 뒷면과 상기 실장 기판의 LED-지지면 각각은 한 쌍의 결합 요부들을 구비할 수 있다.
상기 렌즈-정렬 부재의 앞면은 바람직하게는 상기 앞면에서부터 연장되어 상기 렌즈-부재 플랜지의 에지와 체결되는 측면을 구비하는 가이드 돌기부들을 구비한다.
상기 렌즈-정렬 부재의 앞면은 바람직하게는 그 안에 플랜지를 끼워 수용하도록 구성된 리세스(recess)를 포함한다. 상기 가이드 돌기부들은 바람직하게는 상기 리세스의 벽을 따라서 그 측면들을 갖고 앞면으로부터 연장된다.
상기 리세스의 벽과 측면들은 바람직하게는 상기 렌즈-부재 플랜지의 에지와 체결된다.
독창적인 LED 장치의 바람직한 실시예들은 광 경로에 대해 정렬된 개구가 형성된 덮개를 더 포함한다. 개스킷(gasket)이 바람직하게는 상기 LED 장치에 대하여 렌즈 부재를 고정하도록 상기 덮개와 실장 기판 사이의 상기 렌즈-정렬 부재와 같이 가압된다. 이러한 실시예들은 베이스(base) 부재를 더 포함한다. 상기 베이스 부재와 덮개는 바람직하게는 함께 LED 기구 내부를 형성하고, 상기 LED 기구 내부에서 상기 덮개와 베이스 부재 사이의 상기 렌즈-정렬 부재와 실장 기판으로 개스킷을 압축하고 밀봉한다. 이러한 개스킷 배치는 바람직하게는 LED 장치에 대한 내후성(weather-proof) 밀봉 제공한다. 상기 베이스 부재는 바람직하게는 작동 중에 LED 장치로부터의 열 방출을 제공하는 열 싱크이다.
일부 실시예에서, 독창적인 LED 장치는 이러한 LED 장치가 감싸지는 인클로저(enclosure)에 대한 엄격한 안전 기준 세트를 만족함으로써 전기적 안전성을 제공하고, 비용-효율적인 방식으로 제공된다. 이러한 실시예에서, 상기 렌즈-정렬 부재는 상기 실장 기판에 전자 부품들의 인클로저를 위한 충분한 두께를 갖는 내화성 안전 배리어(fireproof safety barrier)가 된다. 상기 구멍은 LED 장치로부터 빛이 그 구멍을 통과하여 LED 장치에 대한 상기 렌즈 부재의 렌즈부를 통과하여 지나가며, 상기 렌즈부가 제공되지 않는 경우 상기 실장 기판 위의 전자 부품들의 손가락-접촉을 방지하는 크기를 가진다.
LED 기구에 대한 일부 실시예에서, 상기 배리어는 금속층을 포함하고, 동시에 보다 바람직한 실시예들에서, 상기 배리어는 또한 상기 실장 기판과 금속층 사이에 위치한 절연층을 포함한다. 일부 실시예에서 상기 금속층과 절연층은 라미네이트(laminate)를 형성한다.
상기 안전 배리어는 바람직하게는 금속층과 절연층을 포함한다. 이러한 층들은 함께 적층되어 라미네이트를 형성한다. 선택적으로, 이러한 층들은 또한 분리형 층들일 수 있다. 특정 UL 기준들 하에서, 상기 금속층은 최소한 0.016 인치의 두께를 갖는 평판형, 비보강(unreinforced) 알루미늄 시트로 만들어질 수 있다. 이러한 금속층의 최소 두께 요구 사항은 상술한 특정 UL 기준들에 명시된 금속층의 구조와 구성에 의존한다. 만일 렌즈-정렬-부재 안전성 배리어가 라미네이트인 경우, 라미네이트의 다른 층들은 같은 크기의 넓이와 길이를 가질 수도 있고 또는 그렇지 않을 수도 있다.
상기 절연층은 상기 실장 기판에 상기 전자 부품으로부터 금속층을 전기적으로 절연시키는 역할을 할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 전자 부품들은 실장 기판 위의 컨포멀 코팅(conformal coating)에 의해 금속층으로부터 절연될 수 있다. 이러한 컨포멀 코팅은 피츠버그(Pittsburgh, PA )의 체이스 특수 코팅(Chase Specialty Coatings)의 휴미실 디비전(HumiSeal Division)에 의해 생산된 아크릴 코팅 1비73(1B73)과 같은 적용 가능한 다수의 코팅들 중 어떤 것이 될 수 있다.
상기 렌즈-정렬-부재 안전 배리어는 또한 UL 기준에 의해 명시된 것과 같은 최소한의 두께를 갖는 고분자 물질의 단일 층으로 만들어질 수 있다. 허용 가능한 고분자 물질들은 와이언도트(Wyandotte, MI)의 비에이에스에프(BASF)사의 엔지니어링 플라스틱 디비전(Engineering Plastics Division)에 의해 생산된 비에이에스에프 130에프알(BASF 130FR)(유리 섬유 강화제를 포함하는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate))를 포함한다. 상기 층은 0.028 인치의 최소 두께를 갖는다. 허용 가능한 다른 고분자 물질들은 상술한 바와 같이 모두 UL 기준에 명시된, 열-선 점화(hot-wire ignition), 수평 연소(horizontal burning), 및 고-전류 아킹(arcing) 저항과 같은 물질 특성에 관련된 특정 상세 사항들을 만족해야만 한다. 상기 안전 배리어는 앞서 언급한 미합중국 특허 출원 제11/774,422호에 개시된 종류의 것일 수 있고, 그 전체적인 내용은 여기에 참고로 포함된다. 그러나, 다른 어떤 알려진 안전-배리어 구성이 또한 사용될 수도 있다.
독창적인 LED 기구는 실장 기판에 서로 이격된 복수의 LED 장치들과 각각의 LED 장치와 각각의 LED 장치에 대하여 광 경로를 각각 형성하는 복수의 렌즈 부재를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 렌즈-정렬 부재는 LED 장치들이 상기 앞면을 넘어서 돌출되도록 각각이 그를 통과하여 각각의 LED 장치들을 수용하는 복수의 구멍을 형성한다. 각각의 렌즈 부재는 렌즈부가 각각의 LED 장치를 실질적으로 둘러싼 상태로 렌즈-정렬 부재의 앞면에 부착된다.
일부 바람직한 실시예들에서, 렌즈 부재들의 하나 이상의 서브세트는 각각이 주로 오프-축 방향으로 각각의 LED 장치에 의해 방출된 빛을 반사하도록 구성된 렌즈 부재들을 포함한다. 이러한 실시예들 중 일부에서, 상기 서브세트의 렌즈 부재들은 공통 오프-축 방향으로 빛을 반사하도록 렌즈-정렬 부재에 배치된다. 이러한 종류의 다른 실시예들에서, 서브세트의 렌즈 부재들은 두 개 이상이 실질적으로 다른-오프 축 방향들로 빛을 반사하게 배향되도록 렌즈-정렬 부재에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 독창적인 LED 기구의 조립 방법에 관한 것이다. 상기 조립 방법은 렌즈 부재, 렌즈-정렬 부재 및 실장기판을 마련하는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 결합 요부를 구비한 상기 렌즈-정렬 부재와 상기 실장 기판은 서로 체결되도록 위치하고 배치된다.
상기 렌즈-부재 플랜지는 렌즈-정렬 부재의 앞면에 부착된다. 상기 부착은 접착제와 같은 기계적 접착 방법에 의할 수 있다. 상기 플랜지는 초음파 용접인, 화학적 접착으로 렌즈-정렬 부재에 부착되는 것이 바람직하다. 상기 렌즈-정렬 부재의 앞면은 바람직하게는 가이드 부재들을 구비한다. 상기 부착 단계 이전에 바람직하게는 상기 가이드 돌기부의 측면들이 상기 렌즈-부재 플랜지의 에지와 체결되도록 상기 렌즈-정렬 부재의 앞면에 상기 렌즈-부재를 배치하는 단계를 포함한다.
상기 렌즈-정렬 부재는 상기 LED 장치가 상기 앞면을 넘어서 구멍을 통하여 돌출하도록 상기 실장 기판에 대하여 배치된다. 상기 제1 및 제2 결합 요부는 상기 LED 장치에 대하여 상기 렌즈 부재를 일치되게 정렬하기 위하여 상기 실장 기판에 대해 상기 렌즈-정렬 부재를 일치되게 정렬함으로써 체결될 수 있다. 상기 렌즈부는 LED 장치와의 사이에서 광 경로를 형성하면서 돌출되는 LED 장치를 실질적으로 둘러싼다. 상기 렌즈 부재는 바람직하게는 상기 실장 기판에 대하여 상기 렌즈-정렬 부재를 고정시킴으로써 LED 장치에 대하여 고정된다.
독창적인 방법의 바람직한 실시예들은 광-출력 특성들을 테스트하기 위하여 LED 장치에 전력을 공급하고 LED 장치를 이미지화하는 단계를 더 포함한다. LED 장치가 완전히 조립된 경우, 전력이 LED 에미터에 공급된다. 그러면 전력이 공급된 LED 장치의 이미지가 광-출력 특성들을 테스트하기 위하여 취하여 진다. 바람직한 실시예들에서, LED 장치의 이미지는 LED 장치(들)의 강도, 광 분포 및 색 온도를 테스트하기 위하여 사용된다.
독창적인 방법은 바람직하게는 개스킷 부재, 덮개 및 열 싱크를 마련하는 단계를 더 포함한다. 상기 덮개에는 광 경로에 정렬되는 개구가 형성된다. 상기 열 싱크 및 상기 덮개는 LED-기구 내부를 함께 형성한다. 상기 실장 기판에 대하여 상기 렌즈-정렬 부재를 고정시키는 단계는 바람직하게는 상기 덮개와 열 싱크 사이에 상기 렌즈-정렬 부재와 실장 기판으로 개스킷을 압축함으로써 수행된다. 이것은 바람직하게는 LED-기구 내부의 LED 장치에 대한 내후성 밀봉을 제공한다. 상기 독창적인 방법은 바람직하게는 LED-기구 내부의 수밀성/기밀성을 위한 상기 밀봉을 진공 테스트하는 단계를 더 포함한다.
복수의 이격-배치된 LED 장치들로 LED 기구들을 조립하는 실시예에 있어서, 상기 렌즈-정렬 부재는 그를 통하여 각각의 LED 장치를 각각 수용하도록 구성된 복수의 구멍을 포함하고; 복수의 렌즈 부재들이 제공된다. 이러한 실시예에서, 렌즈 부재들의 하나 이상의 서브세트는 각각이 주로 오프-축 방향으로 각각의 LED 장치에 의해 방출된 빛을 반사하도록 구성된 렌즈 부재들을 포함한다. 상기 부착 단계 이전에, 특정 종류의 렌즈 부재가 선택된다. 선택된 렌즈 부재들은 렌즈-정렬 부재의 앞면에 배치된다. 바람직하게는 각 렌즈 부재의 종류와 그 방향이 확인된다.
이러한 실시예들의 일부에서, 상기 서브세트의 렌즈 부재들은 공통 오프-축 방향으로 빛을 반사하기 위하여 렌즈-정렬 부재에 배치된다. 이러한 실시예들 중 다른 어떤 것들은, 상기 서브세트의 렌즈 부재들을 두 개 이상이 실질적으로 다른 오프-축 방향들로 빛을 반사하게 배향되도록 렌즈-정렬 부재에 배치된다.
본 발명의 또 다른 측면은 서로 이격된 복수의 LED 장치들을 갖는 실장 기판을 포함하는 종류의 LED-어레이 모듈을 위한 커스텀(custom) 고-효율 LED 렌즈 제조 방법에 관한 것이다. 개별적인 분리형 렌즈 부재를 생산하는 동안에, 특정 고 정밀 기술(high-precision technologies)이 렌즈부의 외부 및/또는 내부 표면의 정확한 형상을 만드는 데에 사용된다. 이것은 고-효율 광 출력 및 광 분포를 달성하는 데에 중요하다. 복수의 렌즈부들이 단일-조각 렌즈로 함께 형성되는 경우 고-정밀 기술의 일부는 적용이 제한되어, 상기 복수의 렌즈부들 각각은 원하는 고-효율 특성들 중 일부가 부족해진다. 이것은 광-출력과 광 분포의 효율의 손실을 초래한다. 독창적인 방법으로 LED-어레이 모듈에 대하여 그 위치에 고정적으로 함께 배치되는 개별적인-제조 렌즈부들의 높은 정밀성을 달성하게 하게 된다.
이러한 독창적인 방법은 또한 커스텀 렌즈의 재고를 줄임으로써 생산 비용을 낮추게 한다. 또한, 다른 광-분포 패턴을 수용하는 다양한 방향들과 배치로 위치할 수 있는 개별적인 렌즈 부재의 사용으로 인하여 이렇게 재고를 줄이는 것이 가능하다. 더 나아가, LED-어레이 모듈의 측면과 실장 기판의 LED 장치들의 수에 기초하여, 독창적인 방법으로 다른 수의 렌즈 부재들이 함께 배치될 수 있게 한다. 다시 말해, 각각 특정 광-배분 패턴을 위하여 각각 특정 렌즈 구조를 만들기 위한 특정 매트릭스-몰드(matrix-mold)를 구비할 필요가 없어진다. 따라서, 많은 수의 특정 매트릭스-몰드들 각각과 결과적인 특정 렌즈를 생산하기 위한 도구들에 있어서 뿐만 아니라 상기 도구, 상기 몰드 및 다중-렌즈부 렌즈의 저장 비용이 절감된다.
이러한 독창적인 방법에서 복수의 분리형 개별 렌즈 부재들이 제공된다. 각각의 렌즈 부재는 렌즈부와 플랜지를 포함한다. 상기 렌즈부는 특정 종류의 고-효율 광 분포를 위한 각각의 렌즈-부재 반사 표면을 정확하게 형성할 수 있는 정밀 기술을 사용하여 만들어지는 것이 매우 바람직하다. 또한, 앞면과 뒷면을 구비하고, 그를 통하여 각각의 LED 장치들을 수용하도록 구성된 복수의 구멍들이 형성된 렌즈-지지 부재가 제공된다. 상기 렌즈-지지 부재는 LED 장치가 앞면을 넘어서 각각의 구멍을 통하여 돌출되도록 실장 기판에 대하여 배치된다.
상기 방법은 LED-어레이 모듈의 원하는 광 분포를 결정하는 단계를 포함한다. 이러한 결정은 개별적인 조명 기구에 원하는 조명 특성 또는 조명 영역을 위한 요구 사항에 기초할 수 있다. 결정된 원하는 광 분포에 따라서, 개별적인 렌즈 부재들 중에서 특정 종류(들)가 선택된다. 선택된 렌즈 부재들은 원하는 광 분포 특성을 달성하기 위하여, 렌즈-지지 부재의 앞면에 배치한다. 각 렌즈 부재의 렌즈부는 각각의 LED 장치를 실질적으로 둘러싸도록 위치한다. 각각의 렌즈 부재의 종류와 방향이 확인되는 것이 바람직하다. 각각의 렌즈 부재는 기계-식별가능(machine-identifiable) 렌즈-인디시아(indicia)를 포함하는 것이 더 바람직하다. 일부 실시예에서, 렌즈 부재들의 종류와 방향을 확인하는 단계는 기계-식별가능 렌즈-인디시아를 판독하는 비전 시스템에 의하여 수행될 수 있다.
각각의 렌즈-부재 플랜지는 실질적으로 렌즈-지지 부재의 앞면에 영구적으로 부착된다. 상기 부착은 상기 렌즈-지지 부재와 플랜지의 초음파 용접의 형태인 실질적으로 영구적인 화학적 접착에 의하는 것이 바람직하다.
상기 렌즈-지지 부재는 바람직하게는 각각의 LED 장치들에 대하여 렌즈 부재들을 고정하기 위하여 실장 기판에 대해 함께 고정되는 것이 바람직하다. 상기 고정은 상기 실장 기판과 덮개 사이의 개스킷을 압축함에 의할 수 있다. 선택적으로, 상기 렌즈-지지 부재는 본 기술 분야에서 이용 가능한 적절한 다른 수단에 의하여 실장 기판에 고정될 수 있다.
일부 바람직한 실시예에서, 상기 덮개는 복수의 스크류(screw) 홀을 포함한다. 진공 테스트 단계 이전에, 상기 방법은 바람직하게는 복수의 스크류 홀들 중 하나를 뺀 전부에 스크류를 삽입하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 덮개는 바람직하게는 전기적 커넥터 또는 전선관 개구와 같은 다양한 형태의 전력 연결부를 포함한다. 전선관 개구의 일 예가 본 출원인 소유의 미합중국 특허 제7,566,147호 (윌콕스(Wilcox) 외)에 개시되어 있다. 전력 연결부가 전선관 개구의 형태인 경우, 상기 전선관 개구는 진공 테스트 단계 이전에 밀봉된다. 상기 진공-테스트 단계에서 바람직하게는 진공 테스트를 위한 접속 포인트로 스크류가 없는 스크류 홀을 사용한다. 상기 스크류들은 상기 덮개와 베이스 부재 사이에 적용되는 압력의 제어를 위하여 스크류의 삽입 동안에 사용된 토크를 제어할 수 있는 자동 스크류 드라이버를 사용하여 삽입되는 것이 바람직하다. "베이스 부재"란 용어는, 중력 방향에 대하여 하부 위치를 가리킴으로써 정해지나, 중력 방향에 의해서 지시되는 의미로 한정되지는 않는다.
본 발명의 일부 실시예는 덮개가 처음에 덮개의 내부면이 위로 향하는 상태로 위치하는 방식으로 수행된다. 상기 개스킷은 바람직하게는 덮개 내의 각각의 구멍과 각각의 광경로에 대하여 각각 정렬되는 복수의 구멍을 갖는 개스킷 층의 형태일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 개스킷은 덮개 내부면에 배치된다. 앞면에 부착된 렌즈 부재들을 갖는 상기 렌즈-지지 부재는 상기 개스킷에 대해 상기 앞면에 상기 개스킷이 대향 한 상태로 배치된다. LED 장치들을 갖고 아래로 향하여 배향된 실장 기판은 상기 제1 및 제2 결합 요부가 상기 렌즈 부재와 LED 장치를 일치되게 정렬시키기 위하여 상기 렌즈-지지 부재에 대하여 상기 실장 기판을 일치되게 정렬함으로써 체결되도록 상기 렌즈-지지 부재의 뒷면에 배치된다.
선택된 렌즈 부재들을 상기 렌즈-지지 부재의 앞면에 배치하고 각각의 렌즈 부재의 종류와 방향을 확인하는 하나 이상의 단계들이 비전 시스템 결합형 로봇에 의하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 아이알씨5(IRC5) 제어기를 갖는 에이비비 아이알비340 플랙스픽커 로봇(ABB IRB340 FlexPicker Robot)이 사용될 수 있다.
상기 로봇은 또한 광-출력 특성들을 테스트하기 위해 LED 장치들을 이미지화하는 단계와 LED 장치들에 대하여 수밀성/기밀성 밀봉을 확인하기 위한 진공 테스트 단계를 포함하는, LED 장치의 조립을 완성하기 위한 모든 다른 단계들을 수행할 수 있다. 상기 로봇은 바람직하게는 오로지 하나의 제1 위치에 제공된다.
더 나아가, 조명 기구에 LED-장치 조립체를 결합하는 단계들은 각각 상기 제1 위치에서부터 떨어진 복수의 위치에서 수행될 수 있다. 따라서, 독창적인 방법은 복수의 생산 위치에의 로봇을 필요로 하지 않게 함으로써 생산 비용을 더 낮출 수 있다.
상술한 실시예들 중 어떤 실시예에서는, 상기 방법은 중앙 데이터베이스를 마련하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 그에 따라 중앙 데이터베이스는 조립 및 테스트 파라미터들을 제공한다. 또한, 본 발명의 방법은 자동화 도구(들)에 의해 수행되는 각각의 특정 단계들을 위해 중앙 데이터베이스로부터의 지시를 받는 자동화된 시스템에 의해 수행될 수 있다. 상기 중앙 데이터베이스는: LED 장치 및 LED-부재의 종류, 렌즈 부재의 선택 및 방향, 스크류 토크, 진공 테스트 파라미터, 광 출력 및 색 테스트 공정 중 하나 이상 또는 전부에 관련된 데이터를 모으고 저장한다.
상기 LED 기구들은 고유의 기계-식별가능 표시를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 기계-식별가능 표시는 어떠한 절절한 형태를 가질 수 있다. 표시의 일 예로, 글자, 심벌 세트, 바코드 또는 이러한 종류의 표시들의 조합을 포함할 수 있다. 독창적인 방법의 단계들은 바람직하게는 복수의 LED 기구들을 제조하기 위하여 여러 번 반복된다. 상기 방법은 바람직하게는 고유의 기계-식별가능 모듈-표시를 판독하는 단계를 더 포함한다. 각각의 고유한 기계-식별가능 모듈-표시의 데이터는 개별적인 특정 LED 기구에 연결된다. 상기 데이터는 상기 LED 기구의 LED 장치(들), 렌즈 부재(들)의 선택과 방향과 같은 렌즈 부재(들)의 종류뿐만 아니라 광-출력 및 색-테스트 공정에 관한 것이다.
도 1은 렌즈-정렬 부재에 부착된 복수의 렌즈 부재를 갖는 본 발명의 바람직한 실시예의 LED 기구를 위에서 바라본 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 LED 기구를 하부에서 바라본 분해 사시도이다.
도 3은 렌즈-정렬 부재를 뒷면에서 바라본 부분 확대 사시도이다.
도 4는 렌즈-정렬 부재를 앞면에서 바라본 부분 확대 사시도이다.
도 5는 렌즈-정렬 부재를 측면에서 바라본 부분 확대 사시도이다.
도 6은 도 4의 렌즈-정렬 부재를 앞면에서 바라본 또 다른 부분 확대 사시도이다.
도 7은 렌즈-정렬 부재의 앞면에 부착된 렌즈 부재를 위에서 바라본 부분 확대 사시도이다.
도 8은 도 7의 렌즈-정렬 부재에 부착된 렌즈 부재의 또 다른 부분 확대 사시도이다.
도 9는 도 7 및 도 8의 렌즈-정렬 부재에 부착된 렌즈 부재를 측면에서 바라본 부분 확대 사시도이다.
도 10은 렌즈-정렬 부재에 부착되기 이전에 렌즈 부재를 나타내는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분해 사시도이다.
도 11은 한 종류의 렌즈 부재의 확대 사시도이다.
도 12는 다른 한 종류의 렌즈 부재의 확대 사시도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 둥근 형태를 갖는 LED 기구의 정면 확대 입면도이다.
도 14는 공통 오프-축 방향으로 LED 빛을 반사시키도록 배향된 렌즈 부재를 갖는 독창적인 LED 기구를 결합한 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 기구의 하부 입면도이다.
도 15는 도 14의 조명 기구의 측면 입면도이다.
도 16은 실질적으로 다른 오프-축 방향으로 LED 빛을 반사시키도록 배향된 렌즈 부재를 갖는 독창적인 LED 기구를 결합한 또 다른 실시예에 따른 조명 기구의 하부 입면도이다.
도 17은 도 16의 조명 기구의 측면 입면도이다.
도 18은 LED-기구의 조립을 위한 독창적인 방법의 단계들을 포함하는 다이어그램이다.
도 1 내지 도 18은 발광축(12)을 이루는 LED 장치(11)와 상기 LED 장치(11)와의 사이에 광 경로(21)를 형성하도록 배치된 렌즈 부재(20)를 포함하는 종류의 개선된 LED 기구(10)를 나타낸다. LED 장치(11)는 LED-지지면(31)을 갖는 실장 기판(30)에 형성된다.
도 1 및 도 2에 가장 잘 도시된 것과 같이, 본 발명의 LED 기구(10)는 바람직하게는 반사체들이나 기본적인 1차 렌즈들이 없이 실질적으로 백색광을 조사하도록 구성된 LED를 포함하는 매우 작은 LED 장치(11)들을 사용한다는 점에서 중요한 장점들을 제공한다.
독창적인 LED 기구(10)는 앞면(41)과 뒷면(42)을 갖고 구멍(43)이 형성된 렌즈-정렬 부재(40)를 포함한다. 도 3 내지 도 9는 LED 장치(11)가 앞면(41)을 넘어서 돌출되도록 구멍(43)이 그 구멍(43)을 통과하여 LED 장치(11)를 수용하도록 구성되어 있는 것을 잘 나타낸다. 도 1 및 도 7 내지 도 12는 렌즈부(22)와 플랜지(23)를 포함하는 렌즈 부재(20)를 나타낸다. 도 1 및 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 렌즈부(22)가 돌출되는 LED 장치(11)를 실질적으로 둘러싸도록 렌즈 부재(20)의 플랜지(23)는 렌즈-정렬 부재(40)의 앞면(41)에 부착된다. 렌즈-정렬 부재(40)는 실장 기판(30)의 제2 결합 요부(34)와 결합 체결되도록 배치되고 위치하는 제1 결합 요부(44)를 구비한다. 제1 및 제2 결합 요부(44, 34)들은 렌즈-정렬 부재(40)를 실장 기판(30)에 일치되게 정렬시킴으로써 LED 장치(11)에 대하여 렌즈 부재(20)를 일치되게 정렬시킨다.
도 3는 실장 기판(30)의 LED-지지면(31)에 인접한 렌즈 정렬 부재(40)의 뒷면(42)을 나타낸다. 제1 결합 요부(44)는, 도 2 및 도 3에 가장 잘 도시되고 있듯이, 렌즈-정렬 부재(40)의 뒷면(42)에서부터 연장되는 돌출부(44)이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 결합 요부(34)는 돌출부(44)를 수용하고 실장 기판(30)의 LED-지지면(31)에 형성된 상보적인 중공부(34)이다. 도 2는 렌즈-정렬 부재(40)의 뒷면(42)과 실장 기판(30)의 LED-지지면(31)이 각각 한 쌍의 결합 요부(44, 34)를 구비하는 것을 나타낸다.
도 4 내지 도 9는, 도 7 내지 도 9에 가장 잘 도시되고 있듯이, 렌즈-정렬 부재의 앞면(41)이 앞면(41)에서부터 연장되고 렌즈-부재의 플랜지(23)를 체결하는 측면(46)을 구비하는 가이드 돌기부(45)를 구비하는 것을 더 나타낸다.
도 4 내지 도 6에서는, 도 7 내지 도 9에서 도시한 바와 같이, 렌즈-정렬 부재(40)의 앞면(41)이 그 안에 플랜지(23)를 끼워 수용하도록 구성된 리세스(47)를 포함하는 것을 더 나타낸다. 도 5 및 도 6은 가이드 돌기부(45)들이 리세스(47)의 벽(48)을 따라서 측면(46)들을 갖고 앞면(41)에서부터 연장되는 것을 잘 나타낸다. 리세스 벽(48)과 측면(46)들은 렌즈-부재 플랜지(23)의 에지와 체결된다.
도 1, 도 2, 도 10, 도 14 및 도 16은 또한 광 경로(21)에 정렬된 개구(51)가 형성된 덮개(50)를 더 포함하는 독창적인 LED 기구(10)를 나타낸다. 도 1, 도 2 및 도 10에 도시된 개스킷(60)은 덮개(50)와 실장 기판(30) 사이에서 렌즈-정렬 부재(40)로 가압 되고, 그에 따라 렌즈 부재(20)를 LED 장치(11)에 대하여 고정한다. 개스킷(60)은 각각의 광 경로(21)에 대하여 각각 정렬된 복수의 개스킷 구멍(61)들을 구비하고, 바람직하게는 연성 실리콘 물질 또는 비 다공성의 강성 실리콘 물질인 폐쇄-셀 실리콘(closed-cell silicone)으로 만들어진다.
도 1, 도 2 및 도 10은 작동 중에 LED 장치(11)로부터 열을 발산시키도록 마련되는 열 싱크(71)로서 베이스 부재(70)를 또한 나타낸다. 베이스 부재(70)와 덮개(50)는 함께 LED-기구의 내부(13)를 형성하고, 상기 LED-기구의 내부에서 덮개(50)와 베이스 부재(70) 사이의 렌즈-정렬 부재(40)와 실장 기판(30)으로 개스킷(60)을 압축하고 밀봉한다. 개스킷(60)을 갖는 이러한 배치는 LED 장치(11)에 대한 내후성(weatherproof) 밀봉을 제공한다.
도 10은 또한 독창적인 LED 기구(10)가 LED 장치(11)가 내부에 피복된 인클로저(enclosure)에 대한 엄격한 안전 기준(stringent safety standard)의 세트를 만족시킴으로써 전기적 안전성을 제공하는 것을 나타낸다. 도 10은 렌즈-정렬 부재(40)가 실장 기판(30) 위의 전자 부품의 인클로저(enclosure)를 위한 충분한 두께를 갖는 내화성 안전 배리어가 되는 것을 나타낸다. 각 구멍(43)은 이러한 LED 장치(11)에 대하여 빛이 각각의 LED 장치(11)에서부터 그 구멍(43)을 통과하여 지나가 렌즈 부재(20)의 렌즈부(22)를 통과하게 하게 하지만, 렌즈부(22)가 제공되지 않는 경우 실장 기판(30) 위의 전자 부품들의 손가락-접촉(finger-contact)을 방지할 수 있는 크기를 갖는다.
도 1, 도 2, 도 10 및 도 13 내지 도 17은 실장 기판(30)에 다른 하나로부터 이격되어 배치된 복수의 LED 장치(11)들과 각각의 LED 장치(11)에 광 경로(21)를 각각 형성하는 복수의 렌즈 부재(20)들을 포함하는 독창적인 LED 기구(10A 내지 10E)들을 나타낸다. 도 1 내지 도 10에는 렌즈-정렬 부재(40)가, LED 장치(11)들이 앞면(41)을 넘어서 돌출되도록 각각의 구멍(43)이 그 구멍을 통하여 각각의 LED 장치(11)를 수용하도록 형성된 복수의 구멍(43)들이 형성된 것을 나타낸다. 도 1 및 도 7 내지 도 9는 각각의 LED 장치(11)를 실질적으로 둘러싸는 렌즈부(22)를 갖는 렌즈-정렬 부재(40)의 앞면(41)에 부착되는 각각의 렌즈 부재(20)를 나타낸다.
도 10 및 도 14 내지 도 17은 그 각각의 렌즈 부재(24)가 주로 오프-축 방향으로 그 각각의 LED 장치(11)들에 의하여 방출되는 빛을 반사하도록 구성된 렌즈 부재(24)들을 갖는 LED 기구(10B, 10D, 10E)들을 나타낸다. 도 13은 오직 하나의 렌즈 부재(24)들의 서브세트(subset)를 포함하는 LED 기구(10C)를 나타낸다. 도 7 내지 도 9, 도 10 및 도 12는 도 14 내지 도 17에 도시된 종류의 조명 기구들에 사용된 렌즈 부재(24A)의 일 실시예를 나타낸다. 도 11은 도 13에 도시된 타입의 움푹 들어간 조명 기구들에 사용된 또 다른 실시예의 렌즈 부재(24B)를 나타낸다. 도 13에 도시된 조명 기구는 2009년 5월 26일 출원된 본 출원인이 소유한 미합중국 특허 출원 제12/471,881호에 자세히 나타나 있고, 그 전체 내용이 여기서 참고로 포함된다.
도 14 및 도 15는 공통 오프-축(common off-axis) 방향으로 빛을 반사하도록 배치된 렌즈 부재(24)들을 나타낸다. 도 13, 도 16 및 도 17은 도 16 및 도 17에 잘 도시된 실질적으로 다른 오프-축(different off-axis) 방향으로 빛을 반사하도록 배향되어 배치된 렌즈 부재(24)들을 나타낸다.
본 발명의 또 다른 측면으로 독창적인 LED 기구(10)의 조립 방법에 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 조립 방법은 렌즈 부재(20), 렌즈-정렬 부재(40) 및 그 위에 LED 장치(11)를 갖는 실장 기판(30)을 마련하는 단계를 포함한다.
도 7 내지 도 9는 렌즈-정렬 부재(40)의 앞면(41)에 부착된 렌즈-부재 플랜지(23)를 나타낸다. 도 7 내지 도 9에서, 플랜지(23)가 초음파 용접에 의하여 화학적 접착으로 렌즈-정렬 부재(40)에 부착되고, 도 7 내지 도 9에 잘 도시되고 있듯이 초음파 용접 동안에 도 4 내지 도 6에 도시된 부착 돌출부(49)가 플랜지(23)와 같이 초음파 용접된다. 또한, 부착 단계(80) 전에는 가이드 돌기부의 측면(46)들이 렌즈-부재 플랜지(23)의 에지와 체결되도록 렌즈-정렬 부재 앞면(41)에 렌즈-부재(20)를 배치하는 단계(81)를 포함한다.
LED 장치(11)가 앞면(41)을 넘어서 구멍(43)을 통하여 돌출되도록 렌즈-정렬 부재(40)가 도 9에 도시된 바와 같이 실장 기판(30)에 대하여 배치된다. 제1 및 제2 결합 요부(44, 34)들이 렌즈-정렬 부재(40)를 실장 기판(30)에 일치되게 정렬시킴으로써 LED 장치(11)에 대하여 렌즈 부재(20)를 일치되게 정렬하도록 체결된다. 도 9는 또한 렌즈부(22)가 상기 렌즈부와의 사이에서 광 경로(21)를 형성하는 돌출된 LED 장치(11)를 실질적으로 둘러싸는 것이 도시된다. 그에 따라, 렌즈 부재(20)는 앞서 도시하고 서술하였듯이, 실장 기판(30)에 대하여 렌즈-정렬 부재(40)를 고정시킴으로써 LED 장치(11)에 대하여 고정된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 독창적인 방법은 개스킷 부재(60), 덮개(50) 및 열 싱크(71)를 마련하는 단계를 더 포함한다. 실장 기판(30)에 대하여 렌즈-정렬 부재(40)를 고정시키는 단계는 덮개(50)와 열 싱크(71) 사이에 렌즈-정렬 부재(40)와 실장 기판(30)으로 개스킷(60)을 압축함으로써 이루어진다. 이로써 LED-기구 내부(13)의 LED 장치(11)에 대한 내후성 밀봉을 제공한다. 본 발명의 방법은 바람직하게는 LED-기구 내부(13)의 수밀성(water tightness)-기밀성(air tightness)을 위해 상기 밀봉을 진공 테스트하는 단계(84)를 더 포함한다.
도 10은 실드 부재(65)가 더 제공되어 원치 않는 역광을 차단하기 위해 덮개(50)와 개스킷(60) 사이에 위치하는 것을 나타낸다. 실드 부재(65)가 층 형상으로 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 실드 부재(65)는 2007년 5월 3일에 출원된 본 출원인 소유의 미합중국 특허 출원 제11/743,961호에 도시된 타입일 수 있고, 그 전체 내용은 여기에 참고로 포함된다.
도 18에 개략적으로 도시된 방법은 중앙 데이터베이스(15)를 제공하는 단계를 더 포함하고, 그에 따라 중앙 데이터 베이스(15)는 조립 파라미터와 테스트 파라미터를 제공한다. 또한, 바람직하게는 본 발명의 방법은 자동화 도구(들)에 의해 수행되는 각 특정 단계에 대한 중앙 데이터베이스(15)로부터의 지시를 수용하는 자동화 시스템에 의해 수행된다. 중앙 데이터베이스(15)는 LED 장치(11)와 렌즈-부재 종류, 렌즈 부재(20)의 선택과 방향, 스크류 토크, 진공 테스트 파라미터들, 광 출력 및 색 테스트 공정들 중 하나 이상 또는 모두에 관한 데이터를 모으고 저장한다. 구조화 질의어(SQL; Structured Query Language) 데이터베이스 시스템이 모든 테스트 파라미터들과 결과들을 제어하고 저장하는 데에 사용될 수 있다.
복수의 이격되어 배치된 LED 장치(11)들과 복수의 렌즈 부재(20)들을 갖는 LED 기구(10)들을 조립하는 실시예에서, 부착 단계(80) 이전에, 특정 종류의 렌즈 부재(20)가 선택된다. 이렇게 선택된 렌즈 부재(20)는 렌즈-정렬 부재(40)의 앞면(41)에 위치한다. 각 렌즈 부재(20)의 종류와 그 방향은 렌즈-부재 확인 단계(82)에서 확인된다.
복수의 LED 기구들이 결합되는 경우, 각 기구는 다른 위치와 다른 방향으로 배치된 다른 렌즈 부재(20)들을 필요로 할 수 있다. 사용하고자 하는 특정한 렌즈 부재(20)들에 관한 데이터는 데이터베이스(15)로부터 로봇에 의하여 수신되고 식별된 렌즈 부재(20)들이 내부(13)에 배치된다. 그러면 각 렌즈 부재(20)는 올바른 종류의 렌즈 부재인지와 특정한 방향으로 위치하는 지가 확인된다. 이러한 식별 및 확인을 위하여, 렌즈 부재(20)는 기계-식별 가능(machine-identifiable) 렌즈-인디시아(indicia)를 포함할 수 있고, 상기 렌즈-인디시아는 특정된 방향을 나타내는 바코드(bar code), 글자 또는 특정 형상의 형태일 수 있다. 단계(82)에 사용된 자동화된 장치의 일 실시예로 플랙스픽커 로봇(FlexPicker Robot)과 결합된 코그넥스 인사이트 5603 디지털 비전 카메라(Cognex Insight 5603 Digital Vision Camera)가 있다. 렌즈 부재(20)가 배치된 후에, 상기 카메라는 상기 인디시아를 판독할 수 있다. 이렇게 판독된 데이터는 저장을 위해 데이터베이스(15)에 되돌려 보내진다.
도 1, 도 2 및 도 10은 덮개(50)가 복수의 스크류 홀(52)들을 포함하는 것을 나타낸다. 진공 테스트 단계(84)에 이전에, 상기 방법은 복수의 스크류 홀(52)들 중 하나 뺀 전부에 스크류(14)를 삽입하는 단계(85)를 포함한다. 그러면 스크류 설치 단계(85)는 내부(13)를 밀봉하기 위해 수행된다. 바람직하게는 파라미터 제어를 갖는 변환기화된(transducerized) 전기 스크류 드라이버가 사용된다. 예를 들면, 씨에스2700(CS2700) 제어기를 갖는 시카고 뉴매틱 테크모티브 에스디25 시리즈(Chicago Pneumatic Techmotive SD25 Series) 전기 스크류 드라이버가 이 단계를 수행할 수 있다. 사용하고자 하는 토크의 크기에 관련된 데이터는 데이터베이스(15)로부터 스크류 드라이버에 의하여 수신된다. 스크류-설치 단계(85)에서, 처음에는 하나를 뺀 모든 스크류(14)들이 스크류 홀(52)들에 넣어진다. 그러면 스크류(14)를 고정시키기 위해 적용되는 실제 토크에 관련된 데이터가 저장을 위해 데이터 베이스(15)에 보내어 진다.
또한, 덮개(50)는 LED 장치(11)들에 전력을 공급하기 위해 조명 기구에서 LED 기구(10)로의 와이어(미도시)의 연결을 허용하는 전선관(wireway) 개구(54) 형태로 도시된 전력 연결부(53)를 포함한다.
남아있는 하나의 스크류 홀(52)은 내부(13)의 수밀성/기밀성 밀봉을 확보하기 위한 진공 테스트(84)를 위해 사용된다. 진공 테스트 기구의 일 실시예로 진공 테스트 단계(84)에서 사용될 수 있는 우손 스피릿 아이큐 다기능 누설 및 유량 테스터(Uson Sprint IQ Multi-Function Leak & Flow Tester)가 있다. 진공 테스트 단계(84)에서, 전선관 개구(54)는 일시적으로 밀봉되고 진공이 개방된 스크류 홀(52)을 통하여 적용된다. 진공이 데이터베이스(15)의 데이터에 따라서 적용된다. 실제 진공-테스트 결과들은 저장을 위해 데이터베이스(15)에 되돌려 보내어 진다. 진공 테스트 단계(84) 후에, 마지막 스크류(14)가 상술한 것과 같은 방식으로 고정된다.
본 발명의 방법은 광-출력 특성을 테스트하기 위하여 LED 장치(11)에 전력을 공급하여 LED 기구(10)를 이미지화하는 단계(83)를 더 포함한다. LED 장치(10)가 완전히 조립된 경우, 전력이 실장 기판(30)에 인쇄되거나 다른 방식으로 마련된 전기적 연결부들을 통하여 LED 에미터(11)에 제공된다. 그러면, 전력이 공급된 LED 기구(10)의 이미지가 광-출력 특성들을 테스트하기 위하여 취하여 진다. LED 기구(10)의 이미지는 LED 장치(들)의 강도, 광 분포 및 색 온도를 테스트하기 위해 사용된다.
LED 기구(10)의 이미지화와 분석이 자동화된 시스템을 통하여 이루어진다. 이러한 시스템의 일 예로 디지털-이미지화 단계(83)를 완료하기 위해 사용될 수 있는 랩뷰 디벨로퍼 스위트(LabView Developer Suite) 소프트웨어를 사용하는 내셔널 인스트루먼트 디지털 비전 카메라(National Instruments Digital Vision Camera)가 있다. 전력이 공급된 LED 기구(10)의 디지털 이미지가 취해진다. 이 이미지로부터 상기 소프트웨어는 광 출력, 색 특성, 강도 및 광 분포를 분석할 수 있다. 그러면 이러한 파라미터들에 관련된 데이터는 저장을 위해 데이터베이스(15)에 보내어 진다.
설명된 본 발명의 방법을 통하여, 개별적인 결과들은 대량 생산 설정으로 기록될 수 있다. 이러한 대량 생산 설정에서, 각각의 개별적인 LED 기구(10)들은 고유의 기계-식별가능 모듈-표시(module-marking)를 포함할 수 있고, 상기 모듈 표시는 심벌들의 세트 및 바코드와 글자의 조합일 수 있다. 각각의 자동화된 단계(렌즈-부재 배치(81), 렌즈-부재 확인(82), 스크류 설치(85), 진공 테스트(84) 및 디지털 이미지화(83))로부터 각각의 개별적인 LED 기구(10)에 관련된 데이터는 고유의 기계-식별가능 모듈-표시로 데이터베이스(15)에 연결된다.
본 발명의 원리들은 특정 실시예와 연관지어 설명하였으나, 이러한 설명들은 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야 한다.

Claims (28)

  1. (a) 발광축을 형성하는 LED 장치를 위에 갖는 LED 지지면을 구비한 실장 기판, 및 (b) 상기 LED 장치와의 사이에서 광 경로를 형성하는 렌즈 부재를 포함하는 LED 기구에 있어서,
    앞면과 뒷면을 구비하고, 상기 LED 장치가 상기 앞면을 넘어서 돌출되도록 상기 LED 장치를 수용하는 구멍이 형성된 렌즈-정렬 부재; 및
    상기 렌즈 부재는 렌즈부와 플랜지를 포함하고, 상기 플랜지는 상기 렌즈부가 돌출되는 상기 LED 장치를 실질적으로 둘러싸도록 상기 렌즈-정렬 부재의 앞면에 부착되며;
    상기 렌즈-정렬 부재는 상기 실장 기판의 제2 결합 요부에 결합 체결되도록 위치하고 배치되는 제1 결합 요부를 구비하여, 상기 실장 기판에 상기 렌즈-정렬 부재를 일치되게 정렬시킴으로써 상기 LED 장치에 대해 상기 렌즈 부재를 일치되게 정렬하는 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈-정렬 부재의 뒷면은 상기 실장 기판의 LED-지지면에 인접하는 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 결합 요부는 상기 렌즈-정렬 부재의 뒷면으로부터 연장된 돌출부이고,
    상기 제2 결합 요부는 상기 돌출부를 수용하고 상기 실장 기판의 LED-지지면에 형성된 상보적인 중공부인 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 렌즈-정렬 부재의 뒷면과 상기 실장 기판의 LED-지지면 각각은 한 쌍의 결합 요부를 구비하는 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈-정렬 부재의 앞면은 상기 렌즈-부재의 플랜지의 에지와 체결되는 측면을 갖고 그로부터 연장된 가이드 돌기부를 구비하는 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈-정렬 부재의 앞면은 상기 플랜지를 끼워 수용하도록 구성된 리세스를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 렌즈-정렬 부재의 앞면은 상기 리세스의 벽을 따라서 측면들을 갖고 그로부터 연장된 가이드 돌기부들을 구비하고, 상기 리세스의 벽과 상기 측면들이 상기 렌즈-부재에 플랜지의 에지와 체결되는 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 경로에 대해 정렬된 개구가 형성된 덮개; 및
    상기 렌즈 부재를 상기 LED 장치에 대하여 고정시키기 위하여 상기 덮개와 상기 실장 기판 사이에 상기 렌즈-정렬 부재로 가압되는 개스킷을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  9. 제 8 항에 있어서,
    베이스 부재를 더 포함하고, 상기 베이스 부재와 상기 덮개는 함께 LED-기구 내부를 형성하고, 상기 LED 장치에 대한 내후성 밀봉을 제공하도록, 상기 LED-기구 내부에서 상기 덮개와 상기 베이스 부재 사이의 상기 렌즈-정렬 부재와 상기 실장 기판으로 상기 개스킷을 압축하고 밀봉하는 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 베이스 부재는 작동 중에 상기 LED 장치로부터 열을 발산을 제공하는 열 싱크인 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈-정렬 부재는 상기 실장 기판의 전자 부품들의 인클로저를 위해 충분한 두께를 갖는 내화성 안전 배리어인 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 실장 기판 위에서 서로 이격된 복수의 LED 장치들과;
    각각의 상기 LED 장치들에 대하여 광 경로를 각각 형성하는 복수의 렌즈 부재;를 포함하고,
    상기 렌즈-정렬 부재에는 상기 LED 장치가 상기 앞면을 넘어서 돌출되도록 각각의 상기 LED 장치를 각각 수용하는 복수의 구멍이 형성되며;
    각각의 렌즈 부재는 각각의 상기 LED 장치들을 실질적으로 둘러싸는 상기 렌즈부를 갖고 상기 렌즈-정렬 부재의 앞면에 부착되는 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 렌즈 부재들의 하나 이상의 서브세트는 그 각각이 주로 오프-축 방향으로 각각의 LED 장치에 의해 방출된 빛을 반사하도록 구성된 렌즈 부재들을 포함하고,
    상기 서브 세트의 렌즈 부재들은 공통 오프-축 방향으로 빛을 반사하도록 상기 렌즈-정렬 부재에 배치된 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 렌즈 부재들의 하나 이상의 서브세트는 그 각각이 주로 오프-축 방향으로 각각의 LED 장치에 의하여 방출된 빛을 반사하도록 구성된 렌즈 부재들을 포함하고,
    상기 서브세트의 렌즈 부재들은 두 개 이상이 실질적으로 다른 오프-축 방향들로 빛을 반사하게 배향되도록 상기 렌즈-정렬 부재에 배치된 것을 특징으로 하는 LED 기구.
  15. 렌즈부와 플랜지를 포함하는 렌즈 부재를 마련하는 단계;
    그 위에 LED 장치를 갖는 LED-지지면을 구비하고, 제1 결합 요부를 구비한 실장 기판을 마련하는 단계;
    앞면과 뒷면을 구비하고, LED 장치를 수용하도록 구성된 구멍이 형성되며, 제2 결합 요부를 구비하고, 상기 제1 및 제2 결합 요부들이 서로 체결되도록 위치하고 배치되는, 렌즈-정렬 부재를 마련하는 단계;
    상기 렌즈-정렬 부재의 앞면에 상기 렌즈-부재의 플랜지를 부착하는 단계;
    상기 렌즈부와의 사이에서 광 경로를 형성하고 상기 렌즈부가 돌출되는 상기 LED 장치를 실질적으로 둘러싸도록 상기 LED 장치에 대하여 렌즈 부재를 일치되게 정렬하기 위하여 상기 실장 기판과 상기 렌즈-정렬 부재를 일치되게 정렬함으로써, 상기 제1 및 제2 결합 요부가 체결된 상태로 상기 LED 장치가 상기 앞면을 넘어서 상기 구멍을 통하여 돌출되도록 상기 실장 기판에 대하여 상기 렌즈-정렬 부재를 배치하는 단계;
    상기 실장 기판에 대하여 상기 렌즈-정렬 부재를 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED-기구 조립 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 렌즈 정렬 부재의 뒷면은 상기 실장 기판의 LED-지지면에 인접하는 것을 특징으로 하는 LED-기구 조립 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 결합 요부들은 상기 렌즈-정렬 부재의 뒷면에서부터 연장되는 돌출부와 상기 돌출부를 수용하고 상기 실장 기판의 LED-지지면에 형성되는 상보적인 중공부인 것을 특징으로 하는 LED-기구 조립 방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    광-출력 특성들을 테스트하기 위하여, 상기 LED 장치에 전력을 공급하고 상기 LED 기구를 이미지화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED-기구 조립 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 렌즈-정렬 부재의 앞면은 상기 렌즈-부재 플랜지의 상기 에지와 체결되는 측면들을 갖는 가이드 부재들을 구비하고;
    상기 부착 단계는 그 이전에 상기 가이드-부재들의 측면이 상기 플랜지 에지와 체결되도록 상기 렌즈 부재를 상기 렌즈-정렬 부재의 앞면에 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED-기구 조립 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 광 경로와 정렬된 개구가 형성된 개스킷 부재와 덮개를 마련하는 단계;
    상기 덮개와 함께 LED 기구 내부를 형성하는 열 싱크를 마련하는 단계;
    상기 LED-기구 내부에서 상기 LED 장치에 대한 내후성 밀봉을 제공하도록, 상기 덮개와 상기 열 싱크 사이에서 상기 렌즈-정렬 부재 및 상기 실장 기판으로 개스킷을 압축함으로써 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED-기구 조립 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 LED 기구 내부의 수밀성/기밀성을 위해 상기 밀봉의 진공 테스트 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 기구 조립 방법.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 실장 기판은 복수의 분리-이격된 LED 장치들을 구비하고, 각각의 LED 장치는 발광축을 형성하며;
    상기 렌즈-정렬 부재는 각각의 상기 LED 장치들을 수용하도록 구성된 복수의 구멍들을 포함하고;
    상기 복수의 렌즈 부재가 포함되고, 각각이 주로 오프-축 방향으로 각각의 LED 장치에 의해 방출되는 빛을 반사하도록 구성된 렌즈 부재들을 포함하는 렌즈 부재들의 하나 이상의 서브세트를 포함하며;
    상기 부착 단계 이전에,
    특정 종류의 렌즈 부재를 선택하는 단계;
    상기 렌즈-정렬 부재의 앞면에 상기 렌즈 부재를 배치하는 단계; 및
    상기 렌즈 부재의 종류와 그 방향을 확인하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED-기구 조립 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 서브세트의 렌즈 부재들은 공통 오프-축 방향으로 빛을 반사시키도록 상기 렌즈-정렬 부재에 배치된 것을 특징으로 하는 LED-기구 조립 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 서브세트의 렌즈 부재들은 두 개 이상이 다른 오프-축 방향들로 빛을 반사하게 배향되도록 상기 렌즈-정렬 부재에 배치된 것을 특징으로 하는 LED-기구 조립 방법.
  25. 서로 이격된 복수의 LED 장치들을 구비하는 실장 기판을 포함하고, 각각의 상기 LED 장치는 발광축을 이루는 종류의 LED 어레이 모듈들을 위한 커스텀 고-효율 LED 렌즈 제조 방법으로서,
    특정 종류의 고효율 광 분포를 위해 각 렌즈-부재의 반사면들을 정확하게 형성하게 하는 정밀 기술을 사용하여 만들어진 렌즈부와, 플랜지를 포함하는 복수의 분리형 렌즈 부재를 마련하는 단계;
    앞면과 뒷면을 구비하고, 각각의 상기 LED 장치들을 수용하도록 구성된 복수의 구멍이 형성된 렌즈-지지 부재를 마련하는 단계;
    각각의 상기 LED 장치가 상기 앞면을 넘어서 각각의 구멍을 통과하여 돌출되도록 상기 실장 기판에 대하여 상기 렌즈-지지 부재를 배치하는 단계;
    상기 LED-어레이 모듈의 원하는 광 분포을 결정하는 단계;
    상기 원하는 광 분포를 달성하기 위한 특정 종류의 렌즈 부재들을 선택하는 단계;
    각각의 렌즈 부재의 렌즈부가 각각의 상기 LED 장치들을 실질적으로 둘러싸도록 상기 렌즈-지지 부재의 앞면에 선택된 상기 렌즈 부재를 배치하는 단계;
    각각의 렌즈 부재의 종류와 방향을 확인하는 단계; 및
    상기 렌즈-지지 부재의 앞면에 각각의 렌즈-부재의 플랜지를 부착하는 단계;
    그 후에, 상기 실장 기판에 대하여 상기 렌즈-지지 부재를 고정시키는 단계;를 포함하여, 원하는 다른 광-분배 패턴들을 수용하면서도 낮은 생산 비용으로 렌즈-부품-구조 정확성을 달성하는 것을 특징으로 하는 LED 어레이 모듈들을 위한 커스텀 고-효율 LED 렌즈 제조 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 렌즈 부재들의 하나 이상의 서브세트는 각각이 주로 오프-축 방향으로 각각의 LED 장치에 의해 방출된 빛을 반사하도록 구성된 렌즈 부재를 포함하고;
    상기 서브세트의 렌즈 부재들은 공통 오프-축 방향으로 빛을 반사하도록 상기 렌즈-지지 부재에 배치되는 것을 특징으로 하는 LED 어레이 모듈들을 위한 커스텀 고-효율 LED 렌즈 제조 방법.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 렌즈 부재들의 하나 이상의 서브세트들은 각각이 주로 오프-축 방향으로 각각의 LED 장치에 의해 방출된 빛을 반사하도록 구성된 렌즈 부재들을 포함하고;
    상기 서브세트의 렌즈 부재들은 두 개 이상이 실질적으로 다른 오프-축 방향으로 빛을 반사하게 배향되도록 상기 렌즈-지지 부재에 대하여 배치된 것을 특징으로 하는 LED 어레이 모듈들을 위한 커스텀 고-효율 LED 렌즈 제조 방법.
  28. 제 25 항에 있어서,
    하나 이상의 배치 및 확인 단계는 비전 시스템과 통합되고, 하나의 제1 위치에 있는 로봇에 의하여 수행되고;
    상기 LED 장치를 조명 기구에 합치는 단계는 상기 제1 위치에서 떨어진 복수의 위치들에서 수행되어;
    상기 복수의 위치들에서 상기 로봇의 필요성을 제거함으로써 생산 비용을 낮추는 것을 특징으로 하는 LED 어레이 모듈들을 위한 커스텀 고-효율 LED 렌즈 제조 방법.
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