JP2005303211A

JP2005303211A - 平面照射型ｌｅｄ

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Publication number: JP2005303211A
Application number: JP2004120757A
Authority: JP
Inventors: Iwao Shoji; 巌東海林
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2004-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: JP4665209B2

Abstract

【課題】本発明は、簡単な構成により、平面に対して均一な照度分布を与えるようにした平面照射型ＬＥＤを提供することを目的とする。
【解決手段】リジッド基板１１と、このリジッド基板上にて中心に実装されたＬＥＤチップ１２と、このリジッド基板上にてＬＥＤチップを包囲するように透明または半透明樹脂により中心軸に対して対称に形成されたレンズ部１３と、を含んでおり、上記レンズ部１３の円形の上面１３ａが平坦に形成されていると共に、中央付近に逆円錐状の凹部１３ｂを備えていて、さらに側面１３ｃが上記上面から周囲に向かってスロープ状になだらかに下降して形成されるように、平面照射型ＬＥＤ１０を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面に対して均一な指向特性を有する平面照射型ＬＥＤに関するものである。

従来、表面実装型ＬＥＤは、例えば図７及び図８に示すように構成されている。
即ち、図７及び図８において、表面実装型ＬＥＤ１は、リジッド基板２上に搭載されたＬＥＤチップ３と、このＬＥＤチップ３そしてリジッド基板２の表面全体を覆うように形成されたレンズ部４と、から構成されている。

上記リジッド基板２は、例えば平坦な銅張り配線基板として構成されており、使用時には実装基板に対して水平に載置した状態で実装されるようになっている。
そして、リジッド基板２は、そのチップ実装ランド（図示せず）上にＬＥＤチップ３がダイボンディングされると共に、このチップ実装ランドに隣接した電極ランド（図示せず）に対して金線３ａによりワイヤボンディングされ、電気的に接続されるようになっている。

上記レンズ部４は、透明または半透明材料、例えばエポキシ樹脂等の熱可塑性樹脂から構成されており、トランスファーモールド工法により成形される。
このレンズ部４は、ＬＥＤチップ３からの光を上面及び側面から出射させることにより、発光部として作用するようになっている。

このような構成の表面実装型ＬＥＤ１によれば、リジッド基板２の下面に露出する端子部（図示せず）からＬＥＤチップ３に駆動電圧が印加されることによって、ＬＥＤチップ３が発光し、ＬＥＤチップ３からの光がレンズ部４を通って外部に出射するようになっている。

ところで、このような構成の表面実装型ＬＥＤ１においては、ＬＥＤチップ３として、一般的なＡｌＧａＩｎＰ系の活性層を有するＬＥＤチップを使用した場合、図９に示す指向特性となる。
これは、中央部（θ＝０度）で最も明るくなるので、平面に対して光を照射した場合、平面における照度分布は、図１０に示すように、中央部が最も照度が高く、所謂ランバーシアン分布の指向特性を有することになる。
これは、角度θに対して、ｃｏｓ²θの平面照度分布となるためである。
従って、平面に対して一つのＬＥＤチップにより均一な照度分布を得るためには、上記指向特性を補正するための光学系が必要となり、部品点数が多くなって、組立が複雑になると共に、表面実装型ＬＥＤ１が大型になってしまう。

本発明は、以上の点から、簡単な構成により、平面に対して均一な照度分布を与えるようにした平面照射型ＬＥＤを提供することを目的としている。

上記目的は、本発明によれば、リジッド基板と、このリジッド基板上にて中心に実装されたＬＥＤチップと、このリジッド基板上にてＬＥＤチップを包囲するように透明または半透明樹脂により中心軸に対して対称に形成されたレンズ部と、を含んでおり、上記レンズ部が、その円形の上面が平坦に形成されていると共に、中央付近に逆円錐状の凹部を備えていて、さらに側面が上記上面から周囲に向かってスロープ状になだらかに下降して形成されていることを特徴とする、平面照射型ＬＥＤにより、達成される。

本発明による平面照射型ＬＥＤは、好ましくは、上記リジッド基板の表面が、光拡散面を備えている。

本発明による平面照射型ＬＥＤは、好ましくは、上記光拡散面が、リジッド基板表面に塗布された白色レジストから構成されている。

本発明による平面照射型ＬＥＤは、好ましくは、上記光拡散面が、リジッド基板自体により構成されている。

本発明による平面照射型ＬＥＤは、好ましくは、上記レンズ部の周囲のスロープ状の側面が、上面に隣接する上部で断面凸状に、また下部で断面凹状となるように、二次曲面から構成されている。

本発明による平面照射型ＬＥＤは、好ましくは、上記レンズ部の指向特性が、ＬＥＤチップの中心軸からの照射角度θに関して、少なくともθ≦４５度にて、１／ｃｏｓ²θと相関関係にある。

上記構成によれば、ＬＥＤチップを包囲するレンズ部の上面が平坦に形成されていると共に、その中央に逆円錐状の凹部が備えられているので、ＬＥＤチップから光軸方向上方に向かって出射した光は、この凹部の内面にて全反射され、横方向全周に亘って進み、上記レンズ部の上面からスロープ状になだらかに下降している側面に入射する。
そして、上記側面の上部に入射した光は、この側面からやや上方寄りに屈折して外部に出射し、上方に向かって拡散することになる。また、上記側面の下部に入射した光は、この側面の内側で全反射して下方に進み、リジッド基板の表面で乱反射して、上方に向かって拡散してレンズ部から出射することになる。
これにより、広い指向特性を備えることになり、当該平面照射型ＬＥＤから平面に光が照射されたとき、この平面上にて比較的均一な照度分布が得られることになる。

上記リジッド基板の表面が粗面仕上げされている場合、または上記リジッド基板の表面に、粗面仕上げされた層が設けられている場合には、ＬＥＤチップから出射してリジッド基板の表面に入射した光は、その粗面により乱反射されることにより、その一部がレンズ部の側面からほぼ水平方向に進むことになり、より広い指向性が得られることになる。

上記リジッド基板の表面が、リジッド基板表面に塗布された白色レジストから成り、あるいはリジッド基板自体から成る光拡散面を備えている場合には、ＬＥＤチップから出射して直接にあるいはレンズ部の内面で反射してリジッド基板の表面に入射した光は、その光拡散面で乱反射して上方に向かって進むことにより、より一層広い指向特性が得られ、より一層均一な平面照度分布が得られることになる。

上記レンズ部の周囲のスロープ状の側面が、上面に隣接する上部で断面凸状に、また下部で断面凹状となるように、二次曲面から構成されている場合には、上記側面の上部に入射した光が、屈折によりやや上方に向かって出射する際に、この側面が凸状に形成されていることにより、より一層拡散して外部に出射することになると共に、上記側面の下部に入射した光が、全反射により下方に反射される際に、この側面が凹状に形成されていることにより、より一層拡散して全反射されることになり、外部に出射する光が、より一層拡散して照射されることになる。

上記レンズ部の指向特性が、ＬＥＤチップの中心軸からの照射角度θに関して、少なくともθ≦４５度にて、１／ｃｏｓ²θと相関関係にある場合には、所謂ランバーシアン分布を実質的に補正することによって、平面にてほぼ均一な照度分布が得られることになる。

このようにして、本発明によれば、ＬＥＤチップから出射した光が、レンズ部の上面の逆円錐状の凹部により横方向の全周に亘って反射され、さらにレンズ部の側面のなだらかに下降する形状により、広く拡散した光強度分布が得られるので、例えばバックライト照明等に適した平面で均一な照度分布の照明が得られることになる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１乃至図６を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

図１及び図２は、本発明による平面照射型ＬＥＤの一実施形態の構成を示している。
図１及び図２において、平面照射型ＬＥＤ１０は、チップＬＥＤとして構成されており、リジッド基板１１と、このリジッド基板１１上に搭載されたＬＥＤチップ１２と、ＬＥＤチップ１２そしてリジッド基板１１の表面全体を覆うように形成されたレンズ部１３と、から構成されている。

上記リジッド基板１１は、例えば平坦な銅張り配線基板として構成されており、その表面に中央のチップ実装ランド１１ａと、このチップ実装ランド１１ａに隣接する電極ランド１１ｂを備えている。
尚、これらのチップ実装ランド１１ａ及び電極ランド１１ｂは、リジッド基板１１上にて両側縁まで延びた後、両側縁から下面に回り込んで、表面実装用の端子部１１ｃ，１１ｄを形成している。
そして、リジッド基板１１は、そのチップ実装ランド１１ａ上にＬＥＤチップ１２がダイボンディングされると共に、チップ実装ランド１１ａに隣接した電極ランド１１ｂに対して金線１４によりワイヤボンディングされ、電気的に接続されるようになっている。

上記レンズ部１３は、透明または半透明材料、例えば熱硬化性エポキシ樹脂から構成されており、トランスファーモールド工法により成形される。
このレンズ部１３は、ＬＥＤチップ１２からの光を上面及び側面から出射させることにより、発光部として作用するようになっている。

以上の構成は、図７及び図８に示した従来の表面実装型ＬＥＤ１とほぼ同様の構成であるが、本発明実施形態による平面照射型ＬＥＤ１０においては、以下の点で異なる構成になっている。
即ち、平面照射型ＬＥＤ１０においては、上記レンズ部１３は、その上面１３ａが平坦に形成されていると共に、その中央付近に逆円錐状の凹部１３ｂを備えており、さらに側面１３ｃが、上記上面１３ａから周囲に向かってスロープ状になだらかに下降して形成されている。

上記凹部１３ｂは、その中心軸がＬＥＤチップ１２からリジッド基板１１に対して垂直な光軸とほぼ一致するように配置されている。
また、上記側面１３ｃは、その上部１３ｄが断面凸状に、またその下部１３ｅが断面凹状になるように、二次曲面から構成されている。
ここで、上記凹部１３ｂ及び側面１３ｃの形状は、後述するように凹部１３ｂで全反射されて側面１３ｃに入射した光が、側面１３ｃで一部透過し、また一部全反射されリジッド基板１１の表面で拡散して反射されることにより、全体として１／ｃｏｓ²θと相関関係にある指向特性を備えるように、選定されている。

さらに、リジッド基板１１の表面は、光拡散面１１ｅを備えている。
この光拡散面１１ｅは、リジッド基板１１の表面自体が粗面仕上げ等により光拡散面として構成され、あるいはリジッド基板１２の表面に例えば白色レジストを塗布することにより構成される。

本発明実施形態による平面照射型ＬＥＤ１０は、以上のように構成されており、リジッド基板１１に露出する端子部１１ｃ，１１ｄからＬＥＤチップ１２に駆動電圧が印加されることにより、ＬＥＤチップ１２が発光し、ＬＥＤチップ１２からの光が、レンズ部１３を通って外部に出射する。

その際、レンズ部１３の逆円錐状の凹部１３ａに入射する光Ｌ１は、図１に示すように、全反射することにより、横方向に進む。
そして、レンズ部１３の側面１３ｃの上部１３ｄに入射した光Ｌ１ａは、この上部１３ｄでやや上向きに屈折し、拡散して外部に出射する。
これに対して、レンズ部１３の側面１３ｃの下部１３ｅに入射した光Ｌ１ｂは、この下部１３ｅで全反射て下方に進み、リジッド基板１１の表面の光拡散層１１ｅで拡散して反射され、上記レンズ部１３の上面１３ａ及び側面１３ｃを通って、上方に拡散しながら出射する。

このようにして、本発明実施形態による平面照射型ＬＥＤ１０によれば、レンズ部１３の逆円錐状の凹部１３ｂ及び側面１３ｃにより、光Ｌ１が横方向に導かれ、一部Ｌ１ａが屈折し、また一部Ｌ１ｂが全反射されリジッド基板１１の表面の光拡散層１１ｅで拡散して反射されることにより、広い指向特性で、上方に向かって出射することになる。
その際、上記レンズ部１３の凹部１３ｂ及び側面１３ｃが前述したような形状いに形成されていることによって、当該平面照射型ＬＥＤ１０から平面に光が照射されたとき、この平面上にてほぼ均一な照度分布が得られることになる。

実験例１

ここで、上述した平面照射型ＬＥＤ１０の第一の実験例について説明する。
この実験例では、ＬＥＤチップ１２として、ＳｉＣベースのＩｎＧａＮ系活性層を有するＬＥＤチップを使用している。
このような構成の平面照射型ＬＥＤ１０によれば、その指向特性は、図３に示すように、円周方向に拡る指向性を示すと共に、垂直方向（θ＝０度）に近づくにつれて、単純減少する傾向を示すことが分かる。
そして、このような指向特性は、中央値で規格化したとき、図４に示すように、１／ｃｏｓ²θの相関を示し、−４５度＜θ＜＋４５度の範囲の平面照射では、相関係数が０．９６である。
従って、平面照射型ＬＥＤ１０により平面照射を行なう場合、−４５度＜θ＜＋４５度の範囲では、ほぼ均一な照度分布が得られることになる。

実験例２

次に、上述した平面照射型ＬＥＤ１０の第二の実験例について説明する。
この実験例では、ＬＥＤチップ１２として、ＧａＡｓベースのＡｌＧａＩｎＰ系活性層を有するＬＥＤチップを使用している。
このような構成の平面照射型ＬＥＤ１０によれば、その指向特性は、同様に図５に示すように、円周方向に拡る指向性を示すと共に、垂直方向（θ＝０度）に近づくにつれて、単純減少する傾向を示すことが分かる。
そして、このような指向特性は、中央値で規格化したとき、図６に示すように、１／ｃｏｓ²θの相関を示し、−４５度＜θ＜＋４５度の範囲の平面照射では、相関係数が０．９６である。
従って、平面照射型ＬＥＤ１０により平面照射を行なう場合、−４５度＜θ＜＋４５度の範囲では、ほぼ均一な照度分布が得られることになる。

このようにして、本発明によれば、ＳｉＣベースのＩｎＧａＮ系ＬＥＤでも、またＧａＡｓベースのＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤでも、同様に平面に対して均一な照度分布で光を照射することができる。従って、ＬＥＤチップに依存することなく、同一の材料及び同一の工程にて、異なる種類の平面照射型ＬＥＤを製造することが可能である。

上述した実施形態においては、ＬＥＤチップとして、例えばＳｉＣベースのＩｎＧａＮ系またはＧａＡｓベースのＡｌＧａＩｎＰ系の活性層を有するＬＥＤチップを使用した場合について説明したが、これに限らず、他の構成のＬＥＤチップを使用した場合にも、本発明を適用し得ることは明らかである。
また、上述した実施形態においては、平面照射型ＬＥＤ１０は、表面実装型ＬＥＤとして構成されているが、これに限らず、リジッド基板上に実装されたＬＥＤチップをレンズにより包囲する構成であれば、他の構成のＬＥＤにも本発明を適用し得ることは明らかである。

このようにして、本発明によれば、簡単な構成により、平面に対して均一な照度分布を与えるようにした、極めて優れた平面照射型ＬＥＤが提供され得る。

本発明による平面照射型ＬＥＤの一実施形態を示す側面図である。図１の平面照射型ＬＥＤの平面図である。図１の平面照射型ＬＥＤの第一の実験例における指向特性を示すグラフである。図３の実験例における指向特性と１／ｃｏｓ²θとの相関を示す図である。図１の平面照射型ＬＥＤの第二の実験例における指向特性を示すグラフである。図５の実験例における指向特性と１／ｃｏｓ²θとの相関を示す図である。従来の表面実装型ＬＥＤの一例の構成を示す平面図である。図７の表面実装型ＬＥＤの側面図である。図７の表面実装型ＬＥＤの指向特性を示すグラフである。図７の表面実装型ＬＥＤの規格化光度のランバーシアン分布を示すグラフである。

符号の説明

１０平面照射型ＬＥＤ
１１リジッド基板
１２ＬＥＤチップ
１３レンズ
１３ａ平坦な上面
１３ｂ逆円錐状の凹部
１３ｃスロープ状の側面
１３ｄ断面凸状の側面上部
１３ｅ断面凹状の側面下部
１４金線

Claims

リジッド基板と、
このリジッド基板上にて中心に実装されたＬＥＤチップと、
このリジッド基板上にてＬＥＤチップを包囲するように透明または半透明樹脂により中心軸に対して対称に形成されたレンズ部と、
を含んでおり、
上記レンズ部が、その円形の上面が平坦に形成されていると共に、中央付近に逆円錐状の凹部を備えていて、さらに側面が上記上面から周囲に向かってスロープ状になだらかに下降して形成されている
ことを特徴とする、平面照射型ＬＥＤ。
上記リジッド基板の表面が、光拡散面を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の平面照射型ＬＥＤ。
上記光拡散面が、リジッド基板表面に塗布された白色レジストから構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の平面照射型ＬＥＤ。
上記光拡散面が、リジッド基板自体により構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の平面照射型ＬＥＤ。
上記レンズ部の周囲のスロープ状の側面が、上面に隣接する上部で断面凸状に、また下部で断面凹状となるように、二次曲面から構成されていることを特徴とする、請求項１から４の何れかに記載の平面照射型ＬＥＤ。
上記レンズ部の指向特性が、ＬＥＤチップの中心軸からの照射角度θに関して、少なくともθ≦４５度にて、１／ｃｏｓ²θと相関関係にあることを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載の表面照射型ＬＥＤ。