JP2012195350A - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度の導光板設計やレンズ設計を不要とし、輝度むらが制御された発光を実現できる発光装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ素子１３を搭載した基板１１の、ＬＥＤ素子の周囲に凹凸形状１４を形成すると共にその上を覆う銀反射膜１７を設ける。この銀反射膜の保護と導光板の機能とを兼ねた比較的厚いガラス層１９を、ＬＥＤ素子の上方を除く基板上の領域に形成する。ガラス層１９が形成されていないＬＥＤ素子１３の上方の空間にＬＥＤ素子を封止する樹脂層１５を充填する。樹脂層は、屈折率の異なる複数の樹脂層１５１、１５２からなり、複数の樹脂層のうち、最表面に位置する樹脂層１５２を最も屈折率の高い層とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤを用いた発光装置に関し、特に発光装置の色むらや輝度むらを改善する技術に関する。

ＬＥＤを用いた発光装置では、高い輝度を確保しつつ、輝度むらや色むらを低減することが重要な課題であり、このための技術が種々提案されている。例えば、特許文献１には、ＬＥＤを搭載する基板上に、反射率の高い銀反射層を設けることにより発光量を高める技術が提案されている。この技術では、銀の変質による反射率の低下を抑制するために、銀反射層をガラス層で覆っている。また特許文献２には、一列に配列したＬＥＤ群を基板上に搭載したＬＥＤパッケージにおいて、基板上に光の拡散性を高める凹凸を設けると共に、ＬＥＤ群上の両側に、光を全反射するように球面形状を有するレンズをモールドにより形成した発光装置が提案されている。

またＬＥＤを用いた発光装置のうち、比較的広い面からの発光を利用する面状発光装置では、導光板を用い、ＬＥＤをその側面に配置し、ＬＥＤ配置面と直交する比較的広い面から発光する装置が一般的に用いられる。この面状発光装置においても、高輝度であって色むらの小さい発光を得るために、例えば、特許文献３には、導光板の光出射面と反対側の面に反射層や拡散部を形成したり、導光板自体に光拡散材を含有せしめたりすることが提案されている。また特許文献４に記載された技術では、中央にＬＥＤ光源を配置し、その周囲に導光板を配置した面状光源装置が開示されている。この装置では、できるだけ多くの光をＬＥＤ光源から側方に位置する導光板に導入するために、発光素子を封止する外囲器として特殊な形状の外囲器を用いるとともに、その上面に空気層を介して反射部材を設けることが提案されている。

特開２０１０−３４４８７号公報 特開２００８−２２０３１号公報 特開２００１−２５０４１０号公報 特開２０１０−３９４１号公報

特許文献１に記載されるような銀反射層を設けた技術では、高い輝度を達成することができるものの、輝度むらや色むらの抑制はできない。つまり、ＬＥＤを用いた発光装置では、蛍光体を含む樹脂でＬＥＤを封止した構造のものが一般的であるが、この場合、ＬＥＤから出た光の多くはＬＥＤの真上に向かい、一部は側方に拡散する。側方に向かった光は反射層によって、上方に反射されるが、ＬＥＤから直接上に向かう光に比べ光量が少ない。このためＬＥＤの直上とその周囲では輝度の差即ち輝度むらが発生する。また封止樹脂中の蛍光体に濃度むらがある場合には、輝度むらに加えて色むらが発生する。

これに対し、特許文献３に記載されるような導光板の側面にＬＥＤを配置した発光装置では、光拡散部（凹凸パターンや印刷パターン）の配置などを工夫することによって、均一な発光を実現することができるが、そのためには、高いＬＥＤ配置精度や凹凸パターン形成精度が要求される。また均一な発光が得るためには、側面に配置されるＬＥＤの発光に輝度むらや色むらがないことが前提であり、仮にＬＥＤ自体に輝度むらや色むらがある場合には、それを解消した均一な発光を実現することは困難である。

一方、特許文献２に記載された、ＬＥＤ素子列の両側に特殊形状のレンズを配置した発光装置や、特許文献４に記載された、中央にＬＥＤ素子を配置しその周囲に導光板を配置した発光装置では、上述したＬＥＤ配置精度の問題はないが、輝度むらをなくすことが可能な形状のレンズや外囲器の設計・製造自体が非常に困難である。例えば、特許文献４に記載された発光装置では、外囲器の曲面がＬＥＤ素子の直上で一点に集まる形状となっているが、このような形状を通常の封止樹脂の作製方法で作製することは非常に困難である。また特許文献４に記載された発光装置では外囲器とその側方に置かれた導光板との間に空気が介在しているため、外囲器と空気との界面および空気と導光板との界面で、それぞれ光の損失を生じる。

本発明は上述した従来の技術では解決できない輝度むらや色むらの問題を解決するとともに、高精度の導光板設計やレンズ設計を不要とし、均一な或いは輝度むらが制御された発光を実現できる発光装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため本発明の発光装置は、ＬＥＤ素子を搭載した基板の、ＬＥＤ素子の周囲に凹凸形状を形成すると共にその上を覆う反射膜を設ける。この反射膜の保護と導光板の機能とを兼ねて比較的厚いガラス層を、ＬＥＤ素子の上方を除く基板上の領域に形成する。ガラス層が形成されていないＬＥＤ素子の上方の空間にＬＥＤ素子を封止する樹脂層を充填する。樹脂層は、屈折率の異なる複数の樹脂層からなり、複数の樹脂層のうち、最表面に位置する樹脂層を最も屈折率の高い層とする。

即ち、本発明の発光装置は、ＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子が実装されると共に前記ＬＥＤ素子が実装された表面のＬＥＤ素子搭載領域を除く領域に凹凸形状を有する基板と、前記基板の凹凸形状の上に形成された反射膜と、前記反射膜が形成された前記基板上の、前記ＬＥＤ素子搭載領域を除く領域に形成されたガラス層と、前記ＬＥＤ素子搭載領域上の空間を充填し、前記ＬＥＤ素子を封止する樹脂層とを備え、前記樹脂層は、屈折率の異なる複数の樹脂層から成り、複数の樹脂層のうち最表面に位置する樹脂層の屈折率が最も高いことを特徴とする。

最表面に位置する樹脂層（第二樹脂層）、ＬＥＤ素子に最も近い樹脂層（第一樹脂層）及びガラス層の各屈折率の関係は、第二樹脂層の屈折率が最も高い。第一樹脂層と第二樹脂層の屈折率の差は、０．１以上あることが好ましい。ガラス層の屈折率は、第一樹脂層の屈折率と同じかそれより低いものが好ましいが、第一樹脂層や第二樹脂層の選択の自由度を考慮して、第一樹脂層の屈折率より高いものを使用してもよい。ガラス層の屈折率を第一樹脂層の屈折率より高いものとする場合には、屈折率差を０．１未満とすることが好ましい。

最表面に位置する樹脂層を高屈折率樹脂層とすることによって、樹脂層から装置外に出射される光の量を制御し、より多くの光をガラス層に導入することができる。また樹脂層はガラス層で囲まれた空間に充填されているので、樹脂層とガラス層との間に空気の層が介在せず、界面における光のロスが極めて少ない。特にガラス層の屈折率を高屈折率樹脂層の下に位置する低屈折率樹脂層の屈折率と同じかそれ以下とすることにより、ガラス層を経由して、外側へ取り出すことのできる光量を多くすることができる。また出射される光の均一性を得るために特殊形状のレンズや高精度の導光板などが不要であり、容易に製造することが可能である。

本発明の発光装置は、凹凸形状の形態の異なる複数の態様を含み、一つの態様は、凹凸形状が基板の表面上に並置された複数の凸部から形成されているものであり、他の一つの態様は、凹凸形状が基板の表面のＬＥＤ素子側から端部に向かって高さが変化する段差部によって形成されているものである。
本発明の車両用照明は、光源として後者の態様の発光装置を用いたものである。

また本発明の発光装置の製造方法は、ＬＥＤ素子が実装された基板と、前記ＬＥＤ素子を封止する樹脂層と、前記脂層の周囲に配置されるガラス層とを備えた発光装置の製造方法であって、前記基板のＬＥＤ素子搭載領域を除く表面に反射膜を形成するステップと、前記ＬＥＤ素子搭載領域を除く領域の反射膜の上にガラスコーティングによりガラス層を構成するステップと、前記ＬＥＤ素子搭載領域にＬＥＤ素子を実装するステップと、前記ＬＥＤ素子搭載領域上の前記ガラス層に囲まれた空間に第一の樹脂組成物を充填し、前記ＬＥＤ素子を封止する第一樹脂層を形成するステップと、前記第一樹脂層の上に、第二の樹脂組成物を充填し、前記第二樹脂層の屈折率より大きい屈折率を有する第二樹脂層を形成するステップとを有する。

反射膜を形成するステップに先だって、前記基板の表面に凹凸形状を形成するステップを含むことが好ましい。

本発明の発光装置の製造方法によれば、導光板として機能するガラス層を形成後に、それによって形成された空間に、ＬＥＤ素子を封止する樹脂層を充填するので、ガラス層がダム材（樹脂層充填のための壁材）として機能し、別途ダム材を設ける必要がない。また樹脂層とガラス層とが密着し、間に空気層が介在しないので、界面における光のロスを最小限にし、高輝度化を図ることができる。

本発明によれば、反射膜の保護を兼ねたガラス層を導光板として利用すると共に、そのガラス層で囲まれる空間に屈折率の異なる複数の樹脂層からなる樹脂層を形成したことにより、ＬＥＤ素子の光を、ガラス層を含む広い面積の領域に拡散させて、出射面全体から均一な光として出射させることができる。
また本発明によれば、高精度の導光板や特殊形状のレンズを必要としないので、製造が容易であり、しかも従来の導光板やレンズを用いた装置よりも高い色むら、輝度むらの抑制効果を得ることができる。

第一実施形態の発光装置の中央部分の断面図。 第一実施形態の発光装置の上面図。 凹凸形状の変更例を示す上面図で、（ａ）は凸部形状が多角形の場合、（ｂ）は凸部形状が円形でランダムに配置した場合を示している。 第一実施形態の発光装置の製造方法の工程例を示す図。 第一実施形態の発光装置の機能を説明する図。 第二実施形態及び第三実施形態に共通する発光装置の断面図。 第二実施形態の発光装置を上面から見た図。 第三実施形態の発光装置を上面から見た図。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ第四実施形態の発光装置の断面図及び上面図。 第四実施形態の発光装置の輝度分布を示す図。 車両用ランプの実施形態を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図。

以下、本発明の発光装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。

＜第一実施形態＞
本発明を、単一のＬＥＤ素子を備えた発光装置に適用した実施形態を説明する。図１及び図２に本実施形態の発光装置を示す。図１は、本実施形態の発光装置の中央部分の断面図、図２は上面図である。

本実施形態の発光装置１０は、主な構成要素として、基板１１と、基板上に搭載されたＬＥＤ素子１３と、ＬＥＤ素子１３を封止する樹脂層１５と、基板１１上のＬＥＤ素子搭載領域の周囲に形成された凹凸形状１４と、この凹凸形状１４を覆う反射膜１７と、反射膜１７を覆うガラス層１９とから構成される。

基板１１は、アルミナ、ＡｌＮセラミックス等からなり、ＬＥＤ素子１３を外部の電源に接続するためのスルーホールや配線パターン１２が形成されている。基板１１のサイズは、用途により異なり限定されるものではないが、典型的には、外形が３ｍｍ×３ｍｍ、厚みが０．４〜１ｍｍ程度の板である。

ＬＥＤ素子１３は、公知の種々のタイプのＬＥＤ素子を使用することができるが、特に基板搭載面を除く面から発光可能な素子即ち素子の上面のみならず側面からも発光する素子であることが好ましい。具体的には、フェイスアップ素子やフリップ素子を好適に使用することができる。素子サイズは、限定されるものではないが、前掲の基板１１のサイズに対し、外形が０．５×０．３ｍｍのものや１×１ｍｍのものが使用される。

ＬＥＤ素子１３と基板１１との接合は、エポキシ系またはシリコーン系接着剤やはんだ材（ＡｕＳｎ、鉛フリーはんだ）を用いた接合、またはＡｕバンプ接合が好ましい。

ＬＥＤ素子１３を封止する樹脂層１５は、低屈折率の樹脂層（第一樹脂層）１５１と、高屈折率の樹脂層（第二樹脂層）１５２とからなり、低屈折率の樹脂層１５１がＬＥＤ素子１３側に、高屈折率の樹脂層１５２が光出射側（最表面側）に配置される。高屈折率の樹脂層１５２を光出射側に配置することにより、空気との界面で全反射される光の量を増やし、その側面に配置されるガラス層１９へ向かう光を多くすることができる。また一般に高屈折率の樹脂は、低屈折率の樹脂に比べ耐熱性が劣るが、このような高屈折率樹脂を発熱するＬＥＤ素子から遠い側に配置し、ＬＥＤ素子に近い樹脂層を耐熱性の高い低屈折率層とすることにより、高屈折率樹脂の欠点である低い耐熱性に起因する問題をなくし、発光装置の安定性を保つことができる。

上記効果を得るための高屈折率樹脂層１５２の屈折率は、好ましくは１．６以上、より好ましくは１．６５以上、さらに好ましくは１．７以上である。低屈折率樹脂層１５１の屈折率については、好ましくは１．４５以下、より好ましくは１．４以下である。

両樹脂層１５１、１５２を構成する樹脂としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂とシリコーン樹脂とを配合したハイブリット樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などを用いることができる。各樹脂層１５１、１５２の屈折率は、樹脂の種類や重合度及び添加する拡散材の量などによって調整することができる。

低屈折率の樹脂層１５１は、上述した樹脂の他に、ＬＥＤ素子が発生する光を吸収し、それと異なる波長の光を発する波長変換材料を含むことができる。波長変換材料は、ＬＥＤ素子の種類や発光装置の用途に応じて、所望の発光色を持つ蛍光体が用いられる。具体的には、黄色発光蛍光体としてＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋などのＹＡＧ系蛍光体、緑色発光蛍光体としてＹ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋などのＹＡＧ系蛍光体、赤色発光蛍光体としてＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ等の窒化系蛍光体または酸窒化物系蛍光体を単独で或いは混合して用いることができる。例えば、照明用発光装置では、白色発光か電球色発光かに応じて黄色または緑色発光蛍光体と赤色蛍光体とを重量比で９０：１０〜７０：３０の比率で配合して用いる。

高屈折率の樹脂層１５２は、上述した樹脂の他に、光拡散材を含むことができる。光拡散材は、樹脂層１５２の屈折率を増加させるとともに、高屈折率樹脂層１５２を通過する光を拡散させて、ＬＥＤ素子１３の真上に向かう光を側方に拡散させる。光拡散材としては、アルミナ、ＴｉＯ_２、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２などを使用することができる。樹脂に対する光拡散材の添加量は、限定されるものではないが、樹脂１００重量部に対し、好ましくは０．１〜２０重量部、より好ましくは１〜１０重量部である。このような範囲で樹脂中に拡散材を含有せしめることにより、光拡散機能を付与することができるとともに屈折率を高めることができる。例えば、屈折率１．５から１．６の樹脂の屈折率を１．７から１．８程度に増加させることができる。

低屈折率樹脂層１５１の厚みは、ＬＥＤ素子１３の厚みや、ＬＥＤ素子１３と電極パターン１２１とを接続するワイヤーの飛び出しなどを考慮して決める。具体的には、厚み０．３ｍｍ程度のＬＥＤ素子１３を用いる場合、０．４ｍｍ以上であることが好ましい。また低屈折率樹脂層１５１と高屈折率層１５２とを合計した樹脂層１５の厚みは、ＬＥＤ素子中央部の青抜け防止を考慮して決める。ＬＥＤ素子中央部の青抜けとは、ＬＥＤ素子１３の直上ではその周囲の蛍光体自体の黄色い発色光に比較して、ＬＥＤ素子１３からの直接の光である青色光の割合が増え、これが周囲に対し青く見える現象であり、ＬＥＤ素子１３の直上の樹脂層１５の厚みが薄いとこの現象が顕著になる。樹脂層１５の全体の厚みは、この青抜けを目立たなくする程度にする必要がある。具体的には、０．５ｍｍ以上が好ましい。ただし、厚みは、１ｍｍを超えないことが好ましい。

凹凸形状１４は、基板１１のＬＥＤ素子搭載部分を除くＬＥＤ素子周囲、より具体的には、基板１１のＬＥＤ素子１３が搭載された部分とＬＥＤ素子１３を電気的に接続するための基板上の電極パターン１２１とを除く基板１１上の領域に設けられ、図示する例では、二次元方向に配列した多数の四角形の凸部により形成されている。凸部を上から見た形状は、図２に示す四角形の他、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、四角形以外の多角形や円形などでもよく、また配列も二次元方向の配列ではなく、放射状の配列やランダムな配列であってもよい。また図示していないが、ＬＥＤ素子１３に離れるに従って凸部の数を減らしたり、凸部の大きさを小さくするなど、凸部の密度や面積に傾斜を付けることも可能である。

凸部のサイズは、凹凸形状を形成する材料の加工精度にもよるが、セラミック板に形成する場合、四角形の凸部のサイズで、一辺の長さが０．０５〜０．２ｍｍ程度、高さが０．０１〜０．２ｍｍ程度とすることが好ましい。また凸部間の間隔は、０．１〜０．５ｍｍ程度が好ましい。

このような凹凸形状１４は、基板１１に直接形成することも可能であるが、本実施形態では、表面に凹凸形状１４を形成した薄板１６を基板１１に貼着することにより形成している。凹凸形状の加工方法としては、ルーター、エッチング、研磨などを採用することが可能であるが、薄板１６を用いる場合には、薄板製造工程において金型で凹凸形状に加工することができる。製造上は金型加工が最適である。薄板の材料は、耐熱性と剛性があり凹凸形状を形成可能な材料であれば特に限定されず、セラミック、ガラス、ＦＲＰ等を用いることができる。薄板の厚みは、上述した凹凸形状の高さより厚いものとし、例えば、０．１ｍｍ以上とする。

反射膜１７は、基板上に形成された凹凸形状を覆うように形成される。反射膜１７としては、Ａｇ、Ａｌ等の反射性の高い金属膜を用いることができるが、特に高い反射を実現できるＡｇが好適である。反射膜１７は、金属の蒸着、スパッタ等の公知の手法で設けることができ、厚みは０．１〜１μｍ程度である。

ガラス層１９は、反射膜１７と基板１１上の電極パターン１２１の一部を覆うように、ＬＥＤ素子（が搭載される領域）の周囲に形成される。ガラス層１９は、反射膜１７の保護層として機能すると共に、ＬＥＤ素子１３の側面から出射される光の導光板としても機能する。このためガラス層１９の材料は、低屈折率樹脂層１５１との界面における光の全反射を極力減らすために、屈折率が低屈折率樹脂層１５１の屈折率と同程度或いはそれよりも高いことが好ましい。このような材料として、屈折率１．４〜１．６のＦＫ１、ＢＫ（硼珪酸ガラス）、Ｋ３、ＢａＫ４、ＳＫ５、ＫｚＦ２などの公知の高透明度な光学ガラスを用いることができる。

ガラス層１９の厚みは、製法上、ＬＥＤ素子１３の上に設けられる樹脂層１５の厚みを規定するものであり、上述した低屈折率樹脂層１５１と高屈折率樹脂層１５２との合計の設計厚みとほぼ同等になるようにする。具体的には、０．５ｍｍ以上が好ましい。ただし、厚みは、１ｍｍを超えないことが好ましい。

次に、本実施形態の発光装置の製造方法の一例を、図４を参照して説明する。
まずセラミック等の基板１１に所定の配線パターン１２を形成する。基板１１とほぼ同じ外形であって、基板１１のＬＥＤ素子搭載領域に相当する領域に開口部１６１を有し、表面に凹凸形状１４が形成された薄板１６を作製する。凹凸形状１４は、薄板の表面をエッチング、切削等によって形成してもよいし、凹凸のある薄板１６を金型で作製してもよい。この薄板１６を、配線パターン１２が形成された基板１１にエポキシ系またはシリコーン系接着剤或いははんだ材により接合する（図４（ａ））。

次いで、薄板１６の開口部１６１を除く領域に全面に銀を蒸着し、銀反射膜１７を形成し、その上をガラスコーティングし、所定の厚みのガラス層１９を形成する（図４（ｂ））。ガラス層を設ける領域は、銀反射膜１７が形成された領域よりも開口部１６１側に広く、基板１１に設けられたＬＥＤ素子搭載領域を残すようにする。

次いで、ＬＥＤ素子搭載領域に、ＬＥＤ素子１３をダイボンディングやワイヤボンディング１８により接合する（図４（ｃ））。接合は、エポキシ系またはシリコーン系接着剤や半田材を用いた接合或いはＡｕバンプ接合など公知の接合方法を採用することができる。

底面にＬＥＤ素子１３を実装した基板１１の、ガラス層１９に囲まれた空間に、蛍光体を含む低屈折率樹脂層用塗布液をディスペンス工法（液体定量吐出装置による）等により塗布し、硬化させて低屈折率樹脂層１５１を形成する（図４（ｄ））。その上に、光拡散材を含む高屈折率樹脂層用塗布液をディスペンス工法（液体定量吐出装置による）等により塗布し、硬化させて、高屈折率樹脂層１５２を形成し、発光装置が完成する（図４（ｅ））。なお、高屈折率樹脂層１５２は、低屈折率樹脂層１５１と合計した樹脂層１５全体の厚みが、ガラス層１９の厚みと同じ厚みとなるように塗布してもよいし、その表面張力を利用して、ガラス層１９の厚みよりも中央部で厚みが厚くなるように塗布してもよい。

以上説明した本実施形態の発光装置の各要素と機能について、図５を参照して説明する。

本実施形態の発光装置では、ＬＥＤ素子１３から出射された光は、蛍光体を含む低屈折率樹脂層１５１を通過する際に蛍光体に吸収され、蛍光体が発する光とＬＥＤ素子１３が発する光と合成した光が低屈折率樹脂層１５１から出射され、その多くは、高屈折率樹脂層１５２に入射される。高屈折率樹脂層１５２に入射した光の一部は、高屈折率樹脂層１５２と外側（空気）との界面で臨界角に達し、全反射されて高屈折率樹脂層１５２の側面または低屈折率樹脂層１５１の側面からガラス層１９に入射する。また、高屈折率樹脂層１５２に入射した光の一部は、高屈折率樹脂層１５２から外側へ出射される。さらに、低屈折率樹脂層１５１で発生する光の一部は、低屈折率樹脂層１５１と高屈折率樹脂層１５２との界面で反射して、低屈折率樹脂層１５１の側面からガラス層１９に入射する。これにより相対的にガラス層１９に向かう光の量が増える。なお、高屈折率樹脂層１５２に光拡散材を含有させた場合には、高屈折率樹脂層１５２に入射した光は、適宜光拡散材により適宜拡散され、ガラス層、および、空気層へ出射される。

この高屈折率樹脂層１５２と外側との界面で全反射してガラス層１９に入射された光、低屈折率樹脂層１５１と高屈折率樹脂層１５２との界面で反射してガラス層１９に入った光及び低屈折率樹脂層１５１から直接ガラス層１９に入った光は、ガラス層１９を伝播しながら、その底面の凹凸形状１４（凸部及び凸部間の凹部）による拡散と銀反射膜１７による反射とを繰り返し、ガラス層１９の表面から出射する。この光の拡散と反射との繰り返しにより、効率よく水平方向へ光源サイズを拡大するとともに、極めて色の均一度の高い光がガラス層１９から出射することができる。また銀反射膜による反射であることから輝度の低下が極めて少なく、輝度の高い発光が得られる。

本実施形態によれば、加工精度が要求される導光板や特殊なレンズ等を用いることなく、簡単な製造工程で、高輝度であり且つ輝度および色の均一度の高い発光を実現できる。本実施形態の発光装置は、色の均一度が高く、白色光や電球色の均一性が求められる照明用発光装置として好適に用いることができる。

なお、本実施形態の発光装置の説明及び参照図面で示した数値や具体的な材料や形状は一例であって、それに限定されることなく、種々の変更が可能である。

例えば、樹脂層を低屈折率樹脂層および高屈折率樹脂層の二つの層から構成した場合を説明したが、最表面となる層が最も屈折率の高い層であれば、積層する樹脂層の数は２より多くてもよい。その場合、積層される樹脂層の屈折率は下層から最表面層に行くに従って高くなることが好ましい。

また本実施形態の発光装置の各要素に、付加的な材料を追加することも可能である。例えば、ガラス層１９をガラス単体で構成するのではなく、高屈折率樹脂層１５２に用いた光拡散材と同様の材料を添加してもよい。光拡散材の含有量は、高屈折率樹脂層１５２における光拡散材の含有量と同程度であり、ガラス層１９を構成するガラス１００重量部に対し１〜１０重量部が好適である。

ガラス層１９中に光拡散材を含有させることにより、基材表面の凹凸形状による光拡散効果を増強することができ、出射光の輝度及び色の均一度をさらに高めることができる。

或いはガラス層１９は、蛍光体等の光変換材料を含んでいてもよい。光変換材料は、低屈折率樹脂層１５１が含む蛍光体と同じものを用いることができる。この場合、ＬＥＤ素子からの距離に応じて蛍光体の含有量に濃度差を設けたり、配合する蛍光体の種類を変化させることも可能であり、それによって色むらのさらなる改善や演色効果を得ることが可能である。

＜第二実施形態、第三実施形態＞
第一実施形態の発光装置は、単一のＬＥＤ素子を備えた発光装置であるが、第二及び第三実施形態の発光装置は、複数のＬＥＤ素子を備えている点が異なる。図６に、第二及び第三実施形態に共通する発光装置１０’、１０”の断面図、図７及び図８に、第二実施形態及び第三実施形態の発光装置１０’、１０”を上面から見た図を示す。発光装置を構成する各要素、即ち、基板１１、ＬＥＤ素子１３、樹脂層１５、反射膜１７及びガラス層１９の材料は、第一実施形態と同様であるので説明を省略し、第一実施形態と異なる点、主としてＬＥＤ素子の配列と凹凸形状について説明する。

第二実施形態の発光装置１０’は、図７に示すように、ライン上に複数のＬＥＤ素子を配列した発光装置であり、線状光源として好適である。

ＬＥＤ素子１３の間隔は、用途によって異なるが、例えばＬＥＤ素子の外形が１×１ｍｍの場合、０．１〜１ｍｍ程度である。基板１１には、複数のＬＥＤ素子に対応して、複数のＬＥＤ素子実装用配線パターン１２が形成されている。そして、ＬＥＤ素子搭載領域を除く基板１１の表面には、凹凸形状が形成され、その上に銀反射膜１７及びガラス層１９が形成されている。図７に示す例でも、凹凸形状１４は上から見て四角形の凸部の配列により形成されているが、凸部の形状は円形や多角形など任意である。

第三実施形態の発光装置１０”は、図８に示すように、複数のＬＥＤ素子１３を二次元方向に配列した面状の発光装置である。この場合もＬＥＤ素子の配列間隔は、第二実施形態と同様であり、素子外形とほぼ同程度である。

第二及び第三実施形態の発光装置も、第一実施形態と同様に、反射膜を形成した基板１１上にガラス層１９を形成し、ガラス層で囲まれる空間にＬＥＤ素子１３を実装後、当該空間に低屈折率樹脂層及び高屈折率樹脂層（樹脂層１５）を順次形成することにより製造することができる。また第一実施形態で説明した種々の変更を加えることも可能である。

第二及び第三実施形態の発光装置によれば、特許文献２に記載されるような特殊なレンズを用いることなく、輝度むらや色むらが改善された線状或いは面状光源を提供することができる。これら実施形態の発光装置は、液晶テレビのバックライトや一般照明に好適である。

＜第四実施形態＞
第一から第三実施形態では、基板上に形成される凹凸形状の凸部の高さが一定である場合を示したが、本実施形態は、階段状の凹凸形状を備える点が特徴であり、発光面全面で輝度分布を一定にするのではなく、階段状の凹凸形状に形成されたガラス層の導光により緩やかな輝度勾配を実現したことが特徴である。図９（ａ）、（ｂ）に本実施形態の発光装置２０の断面図と上面図を示す。また本実施形態の発光装置の輝度分布を図１０に示す。

本実施形態においても、発光装置２０を構成する基板２１、ＬＥＤ素子２３、樹脂層２５、反射膜２７、ガラス層２９等の要素の材料は、第一〜第三実施形態と同様であるので、本実施形態の特徴である凹凸形状を中心に説明する。

本実施形態の発光装置は、図９（ａ）に示すように、基板２１上に、ＬＥＤ素子２３を中心として、ＬＥＤ素子２３から離れるに従って高さが高くなる段差状の凹凸形状２４が形成されている。段差部２４は、基板２１の外縁部において、樹脂層２５の厚みとほぼ同様となるように形成されている。このような段差部２４は、例えば、外形が同じで中央にサイズの異なる四角形の開口が形成された枠状の薄板２６例えばセラミック板を、開口が小さい順に下から上へ積層していくことにより形成することができる。

図示する実施形態は、縦横の長さが異なる発光装置の例であり、例えば外径が１ｍｍ×３ｍｍ以上の横長形状を有している。横長形状に対応して、段差の傾斜は長辺方向では緩やかで短辺方向では急になっている。段差部２４の各段差の高さ、薄板２６の積層によって製造する場合には薄板の厚みは、０．１ｍｍ以上であることが好ましく、積層枚数は５枚以上であることが好ましい。また段差部２４の平面部の幅は、０．１ｍｍ以上であることが好ましく、図示するような横長形状の発光装置の場合には、長辺方向において、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。このような段差部の傾斜にすることにより、段差部２４を利用して輝度分布を作り出すことができる。

このような段差部２４の表面を銀反射膜２７で覆うことは第一実施形態と同様であり、その上に段差部２４を構成するセラミック板２６が全て覆われるようにガラスコーティングを施しガラス層２９を形成する。ガラス層２９の厚みは、０．６ｍｍ以上であり、最上層の薄板に形成された銀反射膜を保護するのに十分な厚みとする。

ガラス層２９は、基板２１中央のＬＥＤ素子搭載領域を除いて形成され、ガラス層２９が形成されていない空間に、ＬＥＤ素子２３を実装した後、複数の樹脂層２５（低屈折率層２５１および高屈折率層２５２）が順次形成される。なお、本実施形態では、主として、最表面にある高屈折率樹脂層２５２と外側との界面での全反射により高屈折率樹脂層２５２の側面または高屈折率樹脂層２５２に隣接する低屈折率樹脂層２５１の側面から出射される光が利用されるので、ＬＥＤ素子２３として、第一実施形態に好適なフェイスアップ素子やフリップ素子の他、側面側への光出射がないＭＢ素子も採用することができる。

この実施形態では、ＬＥＤ素子２３から発せられ、低屈折率樹脂層２５１を経て高屈折率樹脂層２５２に入った光は、その一部が高屈折率樹脂層２５２と空気との界面で全反射されて、高屈折率樹脂層２５２の側面または低屈折率樹脂層２５１の側面からガラス層２９に入る。ガラス層２９に入った光は、段差部２４で拡散されるとともに反射されて、ガラス層２９から出射される。ここで段差部２４があることによって、ガラス層２９に対し垂直に向かう光の成分よりも、発光装置の中央側に向かう光の成分のほうが多くなり、結果として、図１０に示すように、中央で最も明るく、中央部から端部に向かって緩やかに輝度が低くなる輝度分布が得られる。一方、段差部２４の傾斜が急な短辺方向については、上述したような輝度分布は殆ど生じず、発光装置の端部で急峻に輝度が変化する。

本実施形態の発光装置は、長辺方向と短辺方向の段差部の傾斜を調整することによって所望の輝度勾配を実現することができる。また配光設計をＬＥＤ素子で行う場合に比べ、容易に配光設計を行うことができる。本実施形態の発光装置は、カットラインが要求される車両用の照明やスポットライトのような特殊な照明などに好適であり、カットライン用の遮蔽部材を不要にできるので、光のロスがなく、輝度の高い発光装置が実現できる。

なお本実施形態においても、ＬＥＤ素子数が一つの場合のみならす、複数のＬＥＤ素子を配列したパッケージとすることも可能である。

＜車両用ヘッドランプ＞
図１１に第四実施形態の発光装置を利用した自動車用ヘッドランプの一例を示す。図１１（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。このヘッドランプ３０は、ハイビーム３１、ロービーム３２、ポジションランプ３３、方向指示器３４、フォグランプ３５を一つの構造体にまとめて配置したものであり、ＬＥＤ光源３６を１ないし複数用いて個々のランプを構成している。

例えば、ハイビーム３１は４つのＬＥＤ光源３６を用いて構成され、３つ設けられたロービーム３２は、それぞれ、一つのＬＥＤ光源３６を用いて構成されている。これらランプ３１、３２は、光源の形状をそのまま、或いは投影レンズ３２ｂで所定の倍率で拡大して、照射方向に投影して配光特性を得るダイレクトプロジェクションタイプのヘッドランプであり、光源３６は、反射面が形成されたハウジング３１ａ、３２ａ内に、その光出射面がランプの出射方向を向くように配置され、ハウジング３１ａ、３２ａの前方に透明ガラス３１ｂまたは投影レンズ３２ｂが配置されている。ＬＥＤ光源３６は、図９に示す細長い形状の発光装置２０であり、その長辺方向が車の左右方向と一致するように配置されている。

ＬＥＤ光源３６は、図１０に示したように、その長手方向において、両側に向かって輝度が緩やかに減少する輝度分布を有している。従って、このＬＥＤ光源３６を長手方向に複数配置したランプ３１、３２は、路面を照らす中央部で最も明るく、対向車側及び歩行者側への配光が少ない。また、カットライン用の遮蔽部材を用いていないので、光のロスがなく、高い照度が実現できる。
なお図１１（ｂ）は、（ａ）に示すヘッドランプのハイビームとロービームの部分の断面を示したが、フォグランプ３５やＤＲＬ（デイ・ランニング・ランプ）についても同様の構成を採用することができる。

本発明によれば、加工の困難なレンズや高精度の導光板を不要とし、色むらがなく高輝度の発光装置が提供される。本発明の発光装置は、大型テレビのバックライト光源、コピー機等の読み取り光源、照明装置、蛍光灯の代用品、及び、ヘッドランプ、リアコンビランプ、室内照明、ターンランプなどの車載用光源として利用することができる。

１０、２０・・・発光装置、１１、２１・・・基板、１２、２２・・・配線パターン、１３、２３・・・ＬＥＤ素子、１４、２４・・・凹凸形状、１５、２５・・・樹脂層、１５１、２５１・・・低屈折率樹脂層、１５２、２５２・・・高屈折率樹脂層、１６、２６・・・薄板、１７、２７・・・反射膜、１９、２９・・・ガラス層、３０・・・ヘッドランプ、３６・・・ＬＥＤ光源。

Claims (9)

1. ＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子が実装されると共に前記ＬＥＤ素子が実装された表面のＬＥＤ素子搭載領域を除く領域に凹凸形状を有する基板と、前記基板の凹凸形状の上に形成された反射膜と、前記反射膜が形成された前記基板上の、前記ＬＥＤ素子搭載領域を除く領域に形成されたガラス層と、前記ＬＥＤ素子搭載領域上の空間を充填し、前記ＬＥＤ素子を封止する樹脂層とを備え、
   前記樹脂層は、屈折率の異なる複数の樹脂層から成り、複数の樹脂層のうち最表面に位置する樹脂層の屈折率が最も高いことを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置であって、前記最表面に位置する樹脂層の屈折率が１．６以上であることを特徴とする発光装置。
3. 請求項１又は２に記載の発光装置であって、前記第二樹脂層は光拡散材を含み、前記第一樹脂層は前記ＬＥＤ素子が発する光を吸収し、当該光と波長の異なる光を発する波長変換材料を含むことを特徴とする発光装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記凹凸形状は、前記基板の表面上に並置された複数の凸部から形成されていることを特徴とする発光装置。
5. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記凹凸形状は、前記基板の表面の前記ＬＥＤ素子側から端部に向かって高さが変化する段差部によって形成されていることを特徴とする発光装置。
6. 請求項５に記載の発光装置であって、前記基板の表面形状は第一の方向の長さが、第一の方向と直交する第二の方向の長さより長く、前記段差部の傾斜は前記第一の方向の傾斜が第二の方向の傾斜よりも緩やかであることを特徴とする発光装置。
7. 光源として、請求項５又は６に記載の発光装置を用いたことを特徴とする車両用照明装置。
8. ＬＥＤ素子が実装された基板と、前記ＬＥＤ素子を封止する樹脂層と、前記脂層の周囲に配置されるガラス層とを備えた発光装置の製造方法であって、
   前記基板のＬＥＤ素子搭載領域を除く表面に反射膜を形成するステップと、
   前記ＬＥＤ素子搭載領域を除く領域の反射膜の上にガラスコーティングによりガラス層を構成するステップと、
   前記ＬＥＤ素子搭載領域にＬＥＤ素子を実装するステップと、
   前記ＬＥＤ素子搭載領域上の前記ガラス層に囲まれた空間に第一の樹脂組成物を充填し、前記ＬＥＤ素子を封止する第一樹脂層を形成するステップと、
   前記第一樹脂層の上に、第二の樹脂組成物を充填し、前記第二樹脂層の屈折率より大きい屈折率を有する第二樹脂層を形成するステップと、を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
9. 請求項８に記載の発光装置の製造方法であって、
   前記反射膜を形成するステップに先だって、前記基板の表面に凹凸形状を形成するステップを含むことを特徴とする発光装置の製造方法。

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