JP2012227537A - Ｌｅｄ光源及びそれを用いた発光体 - Google Patents

Abstract

【課題】大光束かつ薄型で側面放射強度の高い安価なＬＥＤ光源を得ること。
【解決手段】放熱性基板１に少なくとも１つのＬＥＤチップ３が実装され、ＬＥＤチップ３が透光性材料である封止樹脂５で封止されているＬＥＤパッケージ部６と、ＬＥＤパッケージ部６上に配置され、各ＬＥＤチップ３の直上部に向かって厚みが増し、該直上部付近ではＬＥＤチップ３側に凹んだ凹部８が形成されているレンズ７と、を備えたＬＥＤ光源。
【選択図】図１

Description

本発明は発光ダイオード（LED; Light Emitting Diode）を用いた多種アプリケーションに適用可能な発光光源と、それを用いた液晶バックライト、照明器具、サイン/広告灯などの発光体に係わるものである。

光学レンズを備え持つＬＥＤパッケージなどのＬＥＤ光源構造についてはこれまでも数多く発明がなされている。その中で、ＬＥＤ光源の設置面に沿った方向、すなわち光源の側面方向へ強い光（側方放射配光）を発するレンズ及び光源構造についても幾つか提案がなされている。例えば、ＬＥＤ用レンズとレンズキャップ、及びそのレンズを用いた発光装置を対象として、レンズの中心軸に対して傾斜した角度の第一の屈折角、そして底面から第１の屈折面へスムーズな曲面として延びる第２の屈折面を有するレンズ形状により、側面放射を得るようにしたものがある（例えば、特許文献１）。

特開２００４−１３３３９１号公報

ＬＥＤチップを点光源とみなしてデザインされた上記文献１の発光装置について、大出力光源用（大放射束あるいは大光束）に適した構成とする場合、複数のＬＥＤチップ（例えば近年普及が進んでいる１個あたり１mm×１mmの表面積を持つ１W級のラージＬＥＤチップ）をパッケージ中心部に集中配置する構成が考えられる。しかしながら、上記文献１の特徴的なレンズ形状を用いて配光効果を出すためには、その光源を囲むだけの十分な大きさのレンズ径が必要になり、その光源占用表面積の広さにおよそ比例するように、レンズ厚みを厚くすることが不可欠である。

薄型化を意図して上記文献１のレンズ形状で、レンズの上下方向を圧縮したようなレンズを用いた場合には、薄型化とともにレンズ表面での全反射を含む反射効果が弱くなり、特徴とする側方放射の配光制御機能（側面放射配光）が大きく失われ、発光装置正面方向（中心軸に沿う方向）の光束比が増大していくこととなる。また、パッケージ中央の集中光源出力が大きくなるほど放熱性と同時に耐熱性確保の必要性が生じてくるため、この部分の厚みを極端に薄くすることが難しい。

また、ラージＬＥＤチップを複数用いる場合、発光効率低下や短寿命化要因となるＬＥＤチップ温度上昇を抑制するために、それぞれのＬＥＤチップの配置間隔を広げた配置を考える。その場合にはＬＥＤチップ占有面積が拡大するため、側面放射特性を維持しようとすると、レンズサイズ（直径、厚み）もそれに比例させるように大きくせねばならず、やはり一つの大光束装置として薄型化を図るのは困難である。さらに、ＬＥＤチップ自体がある程度拡散配光特性を有しているため、レンズ体積が増加することでレンズ形状内部の拡散光が増加し、結果としてレンズ表面での屈折/反射制御効果が低減することになってしまう。また、レンズ成形面を考えても側面に凹凸形状を設ける加工は容易なものではなく、量産時の製造コストが高くなることも避けられない。
以上のことから、上記文献１の構成では、ＬＥＤチップ総表面積が大きくなる条件において、側方放射配光を維持したまま薄型/コンパクト化に対応させることは非常に困難といえる。

本発明は、上記のような問題を解決し、大光束（大きな電気入力）かつ薄型で側面放射強度が高く、かつ安価なＬＥＤ光源を得ること、及びそれを用いた発光効率のよい薄型大光束発光体を得ることにある。

本発明に係るＬＥＤ光源は、放熱性基板に複数個のＬＥＤチップが互いに間隔を開け、円環状に略等間隔で実装配置され、前記ＬＥＤチップが透光性材料で封止されているＬＥＤパッケージ部と、前記ＬＥＤパッケージ部上に配置され、前記各ＬＥＤチップの直上部で前記ＬＥＤチップ側に凹んだ凹部が形成されたレンズと、を備え、前記レンズの表面形状が、外周から中心に向けて凹んだ湾曲面を有することを特徴とする。

本発明によれば、レンズ上部に形成した凹部によりＬＥＤチップから出た光をレンズの側方に広げ、それを効率よくレンズ周辺まで光伝搬し、レンズ周辺での側方発光成分を増やすことができる。さらにＬＥＤチップを複数用いる場合には、それらを放熱性基板の実装領域に散在させ、互いに間隔を開けて実装配置することで、放熱性が向上しＬＥＤチップの能力劣化も防止される。したがって、大光束または大放射束を目的として複数のラージＬＥＤチップを用いる大投入電力のＬＥＤ光源においても、ＬＥＤチップ温度上昇を抑制し、側面放射強度が高い薄型のＬＥＤ光源を得ることができる。

（ａ）実施の形態１に係るＬＥＤ光源の上面図である。（ｂ）図１（ａ）の側断面図である。 図１のＬＥＤ光源のレンズの凹部の作用を説明する説明図である。 実施の形態１に係るＬＥＤ光源の変形例を示す側断面図である。 実施の形態１に係るＬＥＤ光源の別の変形例を示す側断面図である。 （ａ）実施の形態１に係る別のＬＥＤ光源の上面図である。（ｂ）図５（ａ）の側断面図である。 （ａ）実施の形態１のＬＥＤ光源のシミュレーションモデルである。（ｂ）図６（ａ）の配光特性図である。 （ａ）実施の形態１の他のＬＥＤ光源のシミュレーションモデルである。（ｂ）図７（ａ）の配光特性図である。 （ａ）実施の形態１に係るＬＥＤ光源の変形例を示す上面図である。（ｂ）実施の形態１に係るＬＥＤ光源の別の変形例を示す上面図である。（ｃ）実施の形態１に係るＬＥＤ光源の別の変形例を示す上面図である。（ｄ）実施の形態１に係るＬＥＤ光源の別の変形例を示す上面図である。（ｅ）実施の形態１に係るＬＥＤ光源の別の変形例を示す上面図である。 （ａ）実施の形態２に係るＬＥＤ光源の上面図である。（ｂ）図９（ａ）の側断面の例示図である。（ｃ）図９（ａ）の側断面の例示図である。 （ａ）実施の形態３に係るＬＥＤ光源の上面図である。（ｂ）図１０（ａ）の側断面の例示図である。（ｃ）図１０（ａ）の側断面の例示図である。 （ａ）実施の形態３に係る別のＬＥＤ光源の上面図である。（ｂ）図１１（ａ）の側断面の例示図である。（ｃ）図１１（ａ）の側断面の例示図である。（ｄ）図１１（ａ）の側断面の例示図である。（ｅ）図１１（ｄ）のレンズを示す図である。 （ａ）ＬＥＤ光源を用いた実施の形態４に係る面状発光体の上面図である。（ｂ）図１２（ａ）の側面図である。 ＬＥＤ光源を用いた実施の形態４に係る面状発光体の断面構造図である。 ＬＥＤ光源を用いた実施の形態４に係るＬＥＤ光源の上面図である。 （ａ）ＬＥＤ光源を用いた実施の形態４に係るＬＥＤ光源の断面構造図である。（ｂ）ＬＥＤ光源を用いた実施の形態４に係るＬＥＤ光源の別の断面構造図である。 （ａ）本発明のＬＥＤ光源の他の実施例を示す上面図である。（ｂ）図１６（ａ）のＡ―Ａ線部の断面図である。 （ａ）図１６（ダム材あり）に対応するＬＥＤ光源のシミュレーションモデルである。（ｂ）図１７（ａ）の配光特性図である。 （ａ）図１６（ダム材なし）に対応するＬＥＤ光源のシミュレーションモデルである。（ｂ）図１８（ａ）の配光特性図である。 （ａ）本発明のＬＥＤ光源の他の実施例を示す上面図である。（ｂ）図１９（ａ）のＡ―Ａ線部の断面図である。 （ａ）本発明のＬＥＤ光源の他の実施例を示す上面図である。（ｂ）図２０（ａ）のＡ―Ａ線部の断面例示図である。（ｃ）図２０（ａ）のＡ―Ａ線部の断面例示図である。（ｄ）図２０（ａ）のＡ―Ａ線部の断面例示図である。 （ａ）実施の形態４のＬＥＤ光源のシミュレーションモデルである。（ｂ）図２１（ａ）の配光特性図である。 （ａ）実施の形態４のＬＥＤ光源のシミュレーションモデルである。（ｂ）図２２（ａ）の配光特性図である。 （ａ）実施の形態４のＬＥＤ光源のシミュレーションモデルである。（ｂ）図２３（ａ）の配光特性図である。 （ｅ）本発明のＬＥＤ光源の他の実施例を示す上面図である。（ｆ）図２４（ｅ）のＡ―Ａ線部の断面図である。 （ａ）実施の形態４のＬＥＤ光源のシミュレーションモデルである。（ｂ）図２５（ａ）の配光特性図である。 実施の形態４に係る発光体の別の変形例を示す側断面図である。 実施の形態４に係る発光体の別の変形例を示す側断面図である。 実施の形態４に係る発光体の別の変形例を示す側断面図である。 実施の形態４に係る発光体の別の変形例を示す側断面図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態を図とともに説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１に係るＬＥＤ光源の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。このＬＥＤ光源は、ＬＥＤ実装基板である放熱性基板１、ダム材２、ＬＥＤチップ３、蛍光材料４、及び透光性の封止樹脂（透光性樹脂）５を有したＬＥＤパッケージ部６と、ＬＥＤパッケージ部６の上部に設けられたレンズ７とを備えている。放熱性基板１には少なくとも１個のＬＥＤチップ３が実装され、その上面にＬＥＤチップ３の発光波長により励起発光する波長変換機能を備えた蛍光材料４が設けられている。ＬＥＤチップ３の周辺にはダム材２を配置し、ダム材２の内側（ダム材で囲まれた部分）を透光性の封止樹脂５で充填してＬＥＤチップ３を覆い、ＬＥＤチップ３の保護と光取出し量向上などを図っている。なお、蛍光材料４は、後述するように、必要に応じて設けられるものである。

放熱性基板１は、薄型化及び高放熱性の特徴を持たせるため、熱伝導性の高い例えば銅やアルミなどの金属材料、あるいはセラミック材料などを用いるとともに、必要に応じＬＥＤチップ３との絶縁を保つ絶縁層や表面反射層を持つように形成する。本実施の形態では、放熱性基板１を薄い銅材を主材としている。なお、図１では複雑化を避けるため、放熱性基板１上におけるＬＥＤチップ３の固着材料である接着層、外部とＬＥＤチップ３との電気回路を形成する配線パタン、さらにそのための金属ワイヤあるいは金属バンプといった部材は省略している。

ダム材２は、製造時において封止樹脂５の流動を防ぐもので、樹脂や金属材料などで構成する。また、ダム材２を放熱性基板１と同様の材料で構成してもよい。また、ダム材２にリフレクタとして反射あるいは配光制御機能を与える場合には、その表面を鏡面あるいは拡散性の高反射材料で形成する。ダム材２の内側面及びダム材２で囲まれる放熱性基板１の表面（以下、キャビティ）は高反射率の鏡面とし、ダム材２の他の表面は高反射性拡散部としている。

ＬＥＤチップ３は、例えば青紫〜青色に発光するＬＥＤチップとし、蛍光材料４をその発光波長を吸収する黄色味を含む光色を発する材料で構成する。そして、蛍光材料４の量の調整により、白色発光光源とすることが可能であり、本実施の形態はそのような構成による大光束白色光源を得る構成例としている。なお、蛍光材料４を用いない場合でも、ＬＥＤチップ３の発光色を発する大放射束ＬＥＤ光源として、本発明の効果を得ることができる。

図１のＬＥＤ光源は、大光束のＬＥＤ光源を得るためにラージＬＥＤチップ３(１個あたり表面約１mm×１mm、１W程度のもの)を４個用いている。そして、これらのＬＥＤチップ３を中央に密集配置させずに、放熱性基板１の実装領域（キャビティ）に散在させ、互いに間隔を開けて実装配置している。すなわち図１では、４個のＬＥＤチップ３を放熱性基板１のキャビティ上に円環状に略等間隔で配置している。これは、ＬＥＤチップ３を放熱性基板１の中央に集中配置した場合、ＬＥＤチップ相互間での熱影響を受けて温度上昇しやすく、また放熱性基板１直下での発熱量の面積密度が非常に大きくなってしまう。さらに、ＬＥＤチップ３はその基本特性として温度上昇により発光効率が低下する性質があり、また封止樹脂５やペースト材をはじめＬＥＤチップ３の周辺構成部材も温度上昇するとともに劣化速度が速まる傾向にある。そのため、ＬＥＤ光源の大きさに制約がある場合でも、大投入電力（大光束化）が必要となる場合には、上述したようにできるだけＬＥＤチップ３の間隔を広くとる構成とすることが温度上昇の抑制に有利となる。

これに対して、前述した特許文献１のレンズを対象にＬＥＤチップ３を４個集中配置させた場合、特にラージＬＥＤチップの場合、３×３mm程度の集中配置面積が必要になる。したがって、レンズ７の厚みやパッケージベース部６を含めた装置としての厚みは相応に厚い構成となり、本発明で実現しようとする例えば総厚み２mm以下の薄型化を実現することすることは難しい。

レンズ７は、ＬＥＤパッケージ部６上に配置し、各ＬＥＤチップ３の直上部に向かって徐々に厚みが増す湾曲形状とし、当該直上部にはＬＥＤチップ３側に向かって凹んだ凹部８を有するように構成した。凹部８は、ＬＥＤチップ３に向かって凹部内側の空間断面積が徐々に小さくなる形状が好ましく、本実施の形態１ではその形状を逆円錐形状としている。なお、凹部８の形状は、ＬＥＤチップ３からの光の側方放射特性が向上するものであれば、円柱、多角柱、逆多角錐などの形状であってもよい。レンズ７に、このような凹部８を設けることで、ＬＥＤパッケージ部６の中心軸方向に向かう光を、ＬＥＤパッケージ部６の側面方向に効果的に変更させることができる。すなわち、図２に示したように、ＬＥＤチップ３からの光線でＬＥＤチップ３の中央上方に進んだものは、凹部８の逆円錐表面８ａ（凹部８の斜面）でスネルの法則に従って全反射成分を含む反射成分が側方に進むことになる。さらに、レンズ７の湾曲表面での全反射などにより、レンズ周辺部へと光が進み、一部はそのままレンズ７周辺から発光し、また一部はダム材２の表面反射状態により光の進路を変え、レンズ７の表面側へと抜け出る。レンズ７の緩やかな湾曲形状は、それを平面とした場合と比較すると、全反射角を大きく変えることなく導光路を広く確保でき、レンズ７の周辺部までの導光効果を高めることが可能となっている。

また、図１のレンズ７では、４個のＬＥＤチップ３にそれぞれ対応する４つの湾曲面を表面に有し、各湾曲面が交差する線をもった表面形状としているが、それによって得られるレンズ７の中央の窪みは、ＬＥＤパッケージ６の内部反射を含めキャビティ表面中央部からＬＥＤ光源の中央方向に放射しようとする光の強度を抑えこむ作用も果たしている。

上記のような構成によって、レンズ７の凹部８で光を効果的に側方に広げ、それを効率よくレンズ周辺まで光伝搬し、レンズ周辺での側方発光成分を増やすことができる。したがって、以上のような放熱性に配慮したＬＥＤチップ配置とそれに対応させたレンズ形状により、ＬＥＤチップ３の放熱性がよく、しかも側方発光成分の高い大光出力を有するＬＥＤ光源を得ることができる。

レンズ７は、例えばポリカーボネート、エポキシ、シリコーンなど目的に合わせた樹脂材料で形成することができる。なお近年耐候性改善が進んでいるシリコーン樹脂を用いる場合は、軟質〜硬質材料でｎ＝１．４１〜ｎ＝１．５３程度のもので形成することができる。図１の構成では、例えば封止樹脂５を軟質透光性シリコーンとし、表面レンズ７を光取出し性が良好で外部衝撃に強い、軟質より屈折率が高い硬質シリコーンで形成する。またその際、光取出し効率の面から、封止樹脂５とレンズ７の中間層に空気層が入らないように封止樹脂５とレンズ７を密着させるか、あるいは他の軟質シリコーン材料を介在させるような構成としてもよい。またオーバーモールドのような方法で封止樹脂５とレンズ７を同一の材料で形成してもよい。

図２は図１のＬＥＤ光源のレンズの凹部８の作用を説明する説明図である。図２に示したように、逆円錐凹部の頂角の１／２をθとした場合、θをレンズ屈折率ｎと周辺媒質ｎ0で定まる全反射角、あるいはそれに近い角度となるようにする。例えば、ｎ0＝１(空気)のとき、ｎ＝１．４１でθ＝４５°、ｎ＝１．５３でθ＝４１°とし、このような構成により、ＬＥＤチップ３（蛍光材料４がある場合にはそれも含む）から放射された光で凹部８の逆円錐形状表面へ到達した光のうちで、スネルの法則にしたがってＬＥＤ光源の側面方向へ光の向きを変えるものが相当量出てくる。なお、その効果を高めるには、逆円錐形状を構成する凹部８がある程度の大きさを持つことが必要になる。そこで凹部８の開始端（切り欠き端）直径が、ＬＥＤチップ３の対角寸法以上となるように構成することで、少なくともＬＥＤチップ３からＬＥＤ光源の垂直方向に進む光に対しては上記逆円錐形状の傾斜面に入射させることが可能となる。

このように構成することで、ＬＥＤチップ３から放射した光の凹部８の逆円錐面での全反射成分量を多くすることができ、その結果レンズ７の側面方向に効果的に光を広げることが可能となる。以上の構成の効果は前述した凹部８の形状を逆多角錐とした場合でも得られ、その頂角やレンズ７の表面の逆円錐切り口形状の寸法も逆円錐の場合とほぼ同様に構成すればよい。また、この実施の形態では、レンズ７の湾曲形状表面の逆円錐切り欠き端が角度を持つように構成しているが、この角度の部分を凹部内面から湾曲面へ連続変化するなだらかな曲面になるように構成してもよく、また凹部８の逆円錐の頂点は丸みをおびていても良い。

図３は本発明の実施の形態１に係るＬＥＤ光源の変形例を示す側断面図である。図３に示すように、凹部８の表面を反射部材１０で形成することで、凹部８から直接放射する光を無くし、凹部８側面方向へ光を制御できる。反射部材１０は薄膜や塗料のようなものでもよく、発光効率を高く維持するため高反射性の鏡面、または拡散面として構成するのが好ましい。

また、図３は、ダム材２よりレンズ７の横幅を広くする、すなわち、レンズ７の外周部がＬＥＤパッケージ部６の外周端から突出する大きさに形成したものである。このように構成することで、意図的にレンズ７のダム材２の端部より突出した部分の背面（ダム材２側）から光を放射させることで、その光を本発明の光源を用いた外部アプリケーション設置空間で有効利用することができる。
さらに、図４のように、ダム材を設けずに封止する加工方法で樹脂封止し、その封止領域よりもレンズ底面積を大きく設定することで、ＬＥＤチップ３から側方放射される光を、封止樹脂５を介し直接利用することが可能となる。なお、その封止樹脂５から抜け出る光の一部はレンズを通り上方に向かうものもあるが、その一部はレンズ７表面で反射され、側方あるいは背面方向に向かう光として利用することが可能である。
図３、図４では凹部８に反射部材１０を具備する構成で示したが、それを持たない構成においても、光源側方から下部への発光量を高める効果をもつことは変わりない。

また、図１に示すように、各ＬＥＤチップ３に対応するレンズ７の外周縁の接続部がパッケージ部６の中心方向に窪んでいた場合には、パッケージ部６の側方への配光に大きな強弱を生じる場合がある。そこで例えば、図５のように、レンズ７のパッケージ部６の中心からレンズ７の周縁部までの最大長以上の半径を有する円板状の透光部材をレンズ周縁配光対策部９としてレンズ７の背面に備え持つような構造として設けた。本構成によりパッケージ部６の側方への配光強弱を緩和させることが可能になり、適用するアプリケーション側で配光強度の均一性が要求される場合には有用となる。

以下に、実施の形態１に対応するＬＥＤ光源を市販の光解析シミュレータでモデリングし、その配光試算を行った結果を示す。図６、図７は本発明が目的とする薄型化を意図し、ＬＥＤ光源総高さ２mmとする条件で作成したモデルの（ａ）斜視外観図と（ｂ）配光試算結果である。なお、共通条件としてラージＬＥＤチップを４個用い、それらをキャビティ上に集中配置せず、ダム材周縁部に十分間隔をおき配置した。ここで、ダム材及び放熱性基板のキャビティ表面は高反射率面とし、ダム材の内側面及び放熱性基板のキャビティ表面は鏡面反射、その他表面は拡散反射、レンズ屈折率を１．５１、封止樹脂屈折率を１．４１、ＬＥＤ実装基板である放熱性基板の厚みは０．２mmとした。

図６（ａ）は図１の構成をモデル化したものである。このモデルでは、ダム材２は外径１１mm、内径７mm、高さ０．６mm、レンズ７は最大高さ０．８mm、最大径１１．５mm、凹部８の斜面角度４２°としている。このモデルでは、図６（ｂ）の結果に示すように、配光特性はほぼＬＥＤ光源を中心とし、中心強度を抑えつつ高い側方発光成分を有していることがわかる。
一方、図７（ａ）は図３及び図５で説明した構成を合わせ持つモデルである。このモデルでは、ダム材２は外径９mm、内径７mm、高さ０．６mm、レンズ７は最大高さ１．０８mm、最大径１６．６mm、凹部８の斜面角度４２°としている。このモデルでは、図７（ｂ）の結果に示すように、ＬＥＤ光源の中央発光強度はかなり抑えられ、かつ、側面への発光強度が強くなっていることがわかる。本モデルは前述したように、ＬＥＤ光源の下方方向の光の生成を意図したものであるが、図７（ａ）に示す配光角ηが、およそ６０〜９０°、及びおよそ−６０〜−９０°で、大きな発光強度が得られる特徴的光源であることがわかる。よって、ここで示した試算結果からも、本発明の実施の形態に係る放熱性を考慮した薄型大光束ＬＥＤ光源構成は、側方（側下方も含む）の発光強度を高める効果を有する光源構成であるといえる。

本発明の目的は、前述したとおり、放熱性のよい大光束光源を得ることにあり、ＬＥＤチップ３の個数を図１よりも多くするようにしてもよい。図８（ａ）、図８（ｂ）は図１に示した４個のＬＥＤチップよりさらに大光束化する５個のＬＥＤチップ３を用いた場合の構成例である。なお、図８（ａ）は各ＬＥＤチップの温度上昇を抑制するために、ＬＥＤチップ５個を放熱性基板１のキャビティ上のダム材２側に周縁配置した例である。ＬＥＤチップが６個以上でも同様の配置は可能であり、さらに個数が多くなるような場合にはＬＥＤパッケージ部６外形を必ずしも円形ではなく、楕円状、正方状、長方状などにして、それにあわせて、レンズ７を前述した特徴を備えたものとしてもよい。また、図８（ｂ）は同じくＬＥＤチップが５個の場合であり、１個を中心配置とし、その他４個を周縁配置したものである。図８（ｂ）の場合には、やや光源中心方向への光束が大きくなる。

一方、本発明は、図１ほど光束を必要としない場合にも適用可能である。例えば、図８（ｃ）はＬＥＤチップを３個周縁配置、図８（ｄ）は空間的配光が左右、上下で非対称となるがＬＥＤチップを２個周縁配置、さらに図８（ｅ）はＬＥＤチップを１個中心配置とした例である。なお、前述ではラージＬＥＤチップの使用を前提に説明したが、レギュラーＬＥＤチップ（表面積０．３×０．３mm、０．０７W程度）やミドルＬＥＤチップ（ラージチップとレギュラーチップ）を単数または複数個用いる場合でも適用可能である。

実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２に係るＬＥＤ光源を示すもので、図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）及び図９（ｃ）はその断面図である。ここでは、各ＬＥＤチップ３の周りを第一のダム材３１で極力小面積となるように囲み、第一のダム材３１で囲まれた部分を、蛍光材料４を混入した蛍光材料含有樹脂３０で封止した例である。この態様はＬＥＤチップ３の表面にだけ蛍光材料４を設けた図１の態様に比べて、比較的製造が容易で安価となる。第一のダム材３１は、各ＬＥＤチップ３を囲む穴を設けた円筒状の材料として構成してもよい。さらに第一のダム材３１上に別の第二のダム材３２を形成し、その内部を透光性樹脂５で樹脂封止する構成としてもよい。このような構成とすることで、図１に示すような広いキャビティ空間に対し、その全空間を、蛍光材料４を含む封止材料で封止すると、キャビティ全体の広い領域が拡散発光領域となってしまいレンズ効果が薄らいでしまうことを抑制できる。

そこで、図９（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ３の周辺領域にだけ蛍光材料含有樹脂３０を配置し、ＬＥＤチップ３周辺の初期発光源が広い面積での拡散光とならないように、拡散光の範囲をＬＥＤチップ３表面付近に制限する構成としてもよい。なお、レンズ７の形状は図１の構成と同様に、ＬＥＤチップ３の直上部に向かって厚みが増し、その直上部付近ではＬＥＤチップ３側に凹んだ凹部８が形成されている。この際、凹部８表面を図３に示したような高反射材１０で形成することで、さらに側方方向への発光強度の高いＬＥＤ光源を得ることができる。

図９（ｃ）は、第一のダム材３１で囲まれた蛍光材料含有樹脂３０の上部領域を空洞３６とした中間導光材料層３５を形成し、その空洞３６の上面に相当する位置にレンズの凹部頂点が位置する構成である。空洞３６の内表面を高反射率材料とすることで、中間導光材料層３５の材料によらず蛍光変換光がその空洞３６に沿って放射される。本構成においてもレンズ７の凹部８へ効率よく光を放射させることができ、それを凹部８の斜面８ａで光の方向を変えることで側面発光強度を高めることができる。
なお、図９（ｃ）の中間導光材料層３５を用いる構成は、図１の蛍光材料４をＬＥＤチップ３表面に備えた構成にも適用可能であり、ＬＥＤ発光光が高反射率側面に沿って放射されるとともに、拡散発光面積をおよそＬＥＤチップ３の面積程度に抑えることでレンズ凹部付近への効率よく光が進行するため、側方への光制御を高める効果を有する。

実施の形態３．
図１０は本発明の実施の形態３に係るＬＥＤ光源を示すもので、図１０（ａ）は上面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の側断面図、図１０（ｃ）は図１０（ｂ）の変形例を示す側断面図である。ここでは、蛍光材料４として蛍光体を樹脂バインドした蛍光シート３３を用いている。図１０（ｂ）は図９（ｂ）同様、ＬＥＤチップ３ごとに設けた第一のダム材３１の内側を透光性のある封止樹脂５で封止し、その封止樹脂５に位置するような蛍光シート３３を配置した例である。本構成では、さらにその上部に第二のダム材３２を配置し、その内部を透光性のある封止樹脂５で封止した構成している。
また、図１０（ｃ）は、第一のダム材３１上に複数のＬＥＤチップ３をカバーする蛍光シート３４を配置し、その上部を図９（ｃ）と同様に、各ＬＥＤチップ３に対応する部分を空洞３６とした中間導光材料層３５を形成したものである。このような構成としても初期拡散光源の発光面積を小さくすることができ、これまで説明したレンズ構成との協働によりＬＥＤ光源側方への光制御効果を高めることが可能となる。なお、ここでも凹部８の表面８ａに高反射材１０を形成することで、さらに側方方向への発光強度の高いＬＥＤ光源を得ることができる。

さらに、図１１のように、例えば蛍光体を樹脂混合した蛍光材料４０をレンズ７に予め付加するような構成としても構わない。この場合、レンズ７背面のＬＥＤチップ３の配置位置に、ＬＥＤチップ３と略同等面積の蛍光層（蛍光材料４０）を有するように構成する。このような構成でも、蛍光拡散光領域を広げることなく、波長変換された光の凹部８の逆円錐表面の側方への光制御を行いやすい構成となる。図１１（ｂ）では、図１０の構成と同様チップ３周囲を高反射性材料で囲むような中間導光材料層３５を設け、ある程度ＬＥＤ光源の照射方向を制限し、その上部に蛍光層（蛍光材料４０）が配置する構成としている。またこの例では封止部（透光性のある封止樹脂５）は光取出しを高めるため、ややドーム状の形状で構成している。図１１（ｃ）はレンズ７背面に蛍光層（蛍光材料４０）を配置、図１１（ｄ）はレンズ７背面に窪みを設けその領域に蛍光層（蛍光材料４０）を配置、図１１（ｅ）はレンズ７背面のＬＥＤチップ３位置に相当する部分に凸部３７を設け、その表面に蛍光層（蛍光材料４０）を配置した構成である。なお、（ｅ）は（ｄ）におけるレンズ側面のみ表現した図である。

この際、この蛍光材料領域が例えばパッケージ全領域に渡るような大きい領域を仮定すると、レンズ７背面の広い領域から拡散光が入射することになり、レンズ７による光制御効果が大きく失われ、ＬＥＤ光源の配光は本発明で意図しない側方発光成分が少ない完全拡散発光に近づいてしまう。そこで上記のような構成とすることで、およそＬＥＤチップ３の発光領域と同等面積程度に制限した蛍光変換領域を効率よく照射できるとともに、波長変換された拡散光の発光領域をＬＥＤチップ３の面積程度に小さく抑えることができ、側方への光制御効果が高い光源を得ることができる。

実施の形態４．
次に、本発明に係るＬＥＤ光源（以下、本ＬＥＤ光源という）を利用した発光体について説明する。本ＬＥＤ光源を組み込む発光体は、例えば導光板方式や、導光板を利用しない直接照明方式や間接照明方式などにより様々な形態が取れるが、ここでは例えば液晶ディスプレイのバックライトなどの面状発光体（導光板）への適用とその発光体の発光効率を高める構成について説明する。
図１２は、本ＬＥＤ光源を用いた実施の形態４を示すものであり、本発明のＬＥＤ光源を組込み可能とした面状導光板の例で、図１２（ａ）はその導光板表面の上面図、図１２（ｂ）は１２（ａ）の側面図である。図１２において、１５は透光性樹脂等からなる導光板、１６は本ＬＥＤ光源を配置するＬＥＤ光源収容部（凹部や開口部等からなる）、１７は導光板１５の周囲に設けられ側面等に反射材料を有する導光板ケースである。照明面積が比較的小さい場合は、本ＬＥＤ光源を実線のように中央配置し、大面積照明が必要な場合には、例えば点線で示したように複数箇所に配置する構成とする。本ＬＥＤ光源を使用すれば、大面積照明が必要な場合でも、小光束ＬＥＤ光源を用いる場合に比較して、その使用個数を大幅に少なくできる。

図１３は、図１２の導光板１５の凹部１６を含む側面領域Ｚに、本ＬＥＤ光源を用いた実施の形態４に係る面状発光体の断面構造図である。導光板１５に設けたＬＥＤ光源収容部１６に本ＬＥＤ光源を配置する。本ＬＥＤ光源の背面には放熱性材料１８を設けている。また、放熱性材料１８の周囲には、パッケージ背面方向に放射した光を反射して導光板１５に入射させる高反射材料１９を設けている。このようにしたことで、本ＬＥＤ光源の発する熱（ＬＥＤチップ発熱）を、ＬＥＤ光源の背面を介して、放熱させやすい構成とすることができる。この際、放熱性材料１８の裏側に放熱部材、熱拡散部材、熱搬送部材等を設けて、放熱性をより向上させる構成としてもよい。また、高反射材料１９の敷設によって、本ＬＥＤ光源の特に側方から下向き配光成分を反射させて導光板１５の内部へ入光させることが可能になる。したがって、図１３のような構造にすることで、光源下向き配光を強めるような積極設計を行ったＬＥＤ光源（図３の構成例）に対して、高い入射効率で導光板１５に光を入射させることができる。

また、導光板１５の背面（高反射材料１９に接する面）には、背面光制御パタン敷設部２０を設けて光伝拡散搬機能を与えている。さらに本発光体では、ＬＥＤ光源収容部１６の側面に光源収容部側面光制御部２１を、ＬＥＤ光源収容部１６のレンズ７との対向面に光源収容部レンズ対向面光制御部２２を設けている。これにより、本ＬＥＤ光源の特に上方に放射される光に対して、導光板１５表面の輝度均斉化を行っている。これらの制御部２１，２２には、光制御構造または材料を設けて構成する。例えば、これらの制御部２１，２２の領域に、薄膜塗料ドット印刷や空間光濃度変調フィルムを配置するなどして導光板表面輝度均斉度を高めるような構成とする。

また、図１４のように本ＬＥＤ光源２３周囲の光源収容部側面光制御部２１として、例えば高さ数十μｍ程度の導光板背面から縞状に延びる凹凸形状（微細プリズム形状）２４を付加するなどして表面積を大きくとり、その表面での光の屈折効果も利用しながら入射効率を高めるような構成としてもよい。

さらに、図１５(a)のように、図１３の光源収容部側面光制御部２１に相当する部分の導光板１５の形状を、本ＬＥＤ光源の表面形状に沿うような緩やかな湾曲面を持つように構成してもよい。その場合は本ＬＥＤ光源と導光板１５との間の空気層（光源収容部１６）を少なくすることができ、入射効率を高めることができる。あるいはその部分を図１５（b）のように、段差状とした階段形状部２６として構成することもできる。このようにすることで、配光（たとえば図６（ｂ）や７（ｂ）で示した配光）の側方上向き光成分を屈折、全反射を利用して抑えることができる。
さらに、導光板１５の表面上、本ＬＥＤ光源の配光強度の高い方向に位置する領域、あるいはその近傍に、反射性パタンの薄膜印刷や光濃度変調フィルム装着、あるいは微細凹凸形状の直接付加などの光濃度調整部２７を設けて、輝度均斉化を行うようにしてもよい。また、上記空気層の隙間に透光性樹脂を充填するような構成とすれば、本ＬＥＤ光源のレンズ７と導光板１５との間の層の屈折率差を小さくすることができるため、導光板１５への入射効率がさらに高まり発光効率が向上する。

また、上述した実施の形態１〜４では、図１や図３のようにレンズ７の厚み形状がその周端部に向け薄くなる構成、またパッケージ直径に対してレンズ７の外形がやや大きめとなるレンズ７形状の例で効果を説明してきたが、図１６に示すようにレンズ７の外径をパッケージ直径と同等とし、レンズ７の側面をほぼ垂直に立ち上がるような平坦面（円柱形状の側面を含む面）として形成するようにしてもよい（図１６（ｂ）の断面図参照）。この構成の場合、小径化とともに広い面積を有するレンズ７の側面からの光放射比率が増加するため側方発光の効果方向を有する。

図１７及び図１８に、レンズ７の側面を平坦面とした場合のシミュレーションモデル（ａ）と配光特性試算結果（ｂ）を示す。図１７は、図７の構成においてレンズ７の直径と等しくしたものであり、ダム材を外径９mm、内径７mm、高さ０．６mm、レンズを最大高さ０．７２mm、最大径９mm、凹部の斜面角度４２°とした場合の結果である。図１７（ａ）のモデル角度方向と図１７（ｂ）の結果の軸は図６と同様であり、図１７（ｂ）図からの側方発光効果を有することがわかる。また図１８は図１７おいてダム材が無い場合の構成であり、この場合には側方（大きい角度）での光取出し量が増えていることがわかる。

また、他のレンズ表面形状として、例えば図２０に示すように、ＬＥＤチップ３を４個実装した構成で、図２０（ｂ）、（ｃ）のＬＥＤチップ３直上に逆円錐等の凹部８を有する円柱形の構成、図２０（ｄ）のレンズ７の中心が薄い凹形状８とした構成などでも側方照射効果を得ることができる。ここでも逆円錐状の凹部８はその頂角の１／２をおよそ全反射角とし、さらに表面と逆円錐の交点が作る円形領域がＬＥＤチップ３を囲むような大きさになるように構成している。何れも各ＬＥＤチップ単位に設けた窪み（凹部８に対向する第一のダム材３１内）にＬＥＤチップ３を実装し、蛍光体混入した封止材料３８で封止した構成例としている。さらに図示したように必要に応じて第二のダム材３２を形成し、その内部を透明度の高い封止樹脂で封止する。
これらの構成について、シミュレーションモデルと、キャビティ表面を鏡面反射とした場合の試算結果を図２１及び図２２に示す。図２１は図１６（ｂ）のように表面が高反射性のダム材２で各ＬＥＤチップ３を囲むように形成（ＬＥＤチップ３周囲の４箇所のみ開口した円盤状ダム材）し、さらにその上部に第二のダム材３２を形成した０．８mm厚さのパッケージ部に、高さ１．１mm、直径９mm、凹部の斜面角度を４２°としたレンズを配置した構成である。また、図２２は図２０（ｄ）に対応しており、レンズ７の表面を曲率の大きい凹部形状としたものである。図２１、図２２何れの場合にも正面光度を抑え込み側面発光量を増加させる効果を有する。

また図２３はさらに小径化を図った構成であり、パッケージ部直径６mm、高さ０．４mm、表面平坦レンズの高さ１．１mm、直径径６mm、凹部の斜面角度４２°とした場合の結果である。以上の結果からコンパクト化を行っても側方放射効果が保たれることがわかる。
また、かなり大型サイズのＬＥＤチップ（例えば１．５mm×１．５mmサイズ）を１個用いる場合の構成例を図２４（ｅ）、（ｆ）に示した。このような構成でもパッケージ基材を放熱性材料とし、これまでの説明と同様の条件で逆円錐凹部８を有するレンズを設けることで、側方強度の高い大光束のＬＥＤ光源を得ることができる。図２５に、そのシミュレーションモデル（厚さ０．８mmのパッケージ部に、高さ１．２mm、直径３．０mm、凹部の斜面角度を４２°としたレンズを配置した例）とその配光試算結果を示すが、この場合も側方放射効果を有することがわかる。

また、図１６や図２０のようにレンズ７の側面を広く設けた円柱形光源に対しては、図２６のように導光板１５の開口部を単純に円筒でくり貫いたような面としてその側面にほぼ接するような構成で用いることが可能である。この場合、レンズ７と導光板１５の間にできる隙間を非常に少なくすることができ、光進行路における屈折率差を少なくすることができるので界面での反射ロスの少ない、導光板入光効率が高く発光効率の高い発光体を得ることができる。

また、図２７のようにレンズ７の側面（光照射部）のみが導光板１５と接するような構成としてもよい。パッケージ部６のダム材２部分より側方発光しない構成で、図２６のようにパッケージ側面が導光板開口側面に接していると、その部分から光が入射する機会がなく、さらにパッケージ部高さだけ導光板１５の表面に近づくために、導光板１５の開口部から直接放射される光の割合が大きくなる。図２７の構造ではレンズ７の側面表面積に対して導光板１５の開口側面領域を広くとれるので、レンズより放射される光は導光板１５に入射する機会が増加する。したがって、本構成により導光板入射効率が高い発光体を得ることが可能になる。この際、パッケージ部分背面の放熱性材料１８はパッケージ部分を収納、かつ高反射性材料１９を押さえ込むような凹部を有する形状として構成してもよい。以上のような構成でパッケージ放熱効果を保ちながら発光効率向上を実現することが可能となる。

図２８、図２９には、それぞれ図２０（ｃ）、図２４（ｆ）のＬＥＤパッケージ６を導光板１５の凹部に配置する構成例を示した。ＬＥＤパッケージ３のパッケージ基板表面を高反射性材料で形成し、およそレンズサイズの導光板１５の窪みにほぼレンズ７の側面部と導光板１５の窪み側面部が接するように構成した例である。レンズ７部分は薄型小径であるため、薄型導光板１５に対しても導光板１５のＬＥＤ光源設置部の開口寸法を小さくでき、ＬＥＤ光源の直上方向の発光強度を抑えつつ、ＬＥＤ光源中央方向の光成分については、必要に応じて光源配置凹部上面光制御部２２により光拡散効果あるいは部分的に光減衰効果を持たせ、導光板表面の発光均斉度を高めるように構成する。
また、図２７、図２８または図２９の例では、ＬＥＤ光源のレンズ小径化を図るとともに、熱伝導性パッケージ部分をレンズ直径に対して明らかに大きい構成としている。このような構成により大出力ＬＥＤチップの発する大きな熱に対して伝熱面積を広くとることができ、図２７、図２８、図２９のようにその背面をやはり大面積の金属性の導光板ケースに密着させ放熱路を形成することで、ＬＥＤチップ温度上昇を抑えた発光効率のよい発光体を得ることができる。
さらに、本構成のような円柱状のＬＥＤ光源に対しては、図１９に示すように、発光効率向上や配光制御の面から、レンズ７の側面の上下方向に例えばプリズムやシリンドリカルストライプなどの凹凸形状７ａを加えるように構成してもよい。

以上のような構成により、ＬＥＤ光源２３が配置される領域に面する導光板１５の側面や、導光板１５の表面にＬＥＤ光源２３の配光特性に応じ光制御機能を設けることで、面発光体としての発光効率及び輝度均一性を向上させることが可能となる。なお、本実施の形態では、導光板を対象とした面状発光体を例として本ＬＥＤ光源を用いた発光体の特性向上に係わる構成を説明したが、例えば棒状発光体においても上記と同様の構成により、配光及び熱的な面で特性のよい発光体を得ることができる。

以上説明したように、本発明は大光束かつ薄型で側方への発光強度が高いＬＥＤ光源と、それを用いた発光体に係わるものであり、屋内外設置を問わず、小〜大光束照明用、液晶バックライト用など広い用途に用いることができるものである。

１ 放熱性基板、２ ダム材、３ ＬＥＤチップ、４ 蛍光材料、５ 封止樹脂（透光性樹脂）、６ ＬＥＤパッケージ部、７ レンズ、８ 凹部、９ レンズ周縁配光対策部、１０ 反射部材、１５ 導光板、１６ ＬＥＤ光源収容部、１７ 導光板ケース、１８ 放熱性材料、１９ 高反射性材料、２０ 背面光制御パタン敷設部、２１ 光源収容部側面光制御部、２２ 光源収容部レンズ対向面光制御部、２３ ＬＥＤ光源、２４ 凹凸形状（又は微細プリズム形状）、２６ 階段形状部、２７ 光濃度調整部、３０ 蛍光材料含有樹脂、３１ 第一のダム材、３２ 第二のダム材、３３ 蛍光材料、３４ 蛍光材料、３５ 中間導光材料層、３６ 開口部。

Claims (29)

1. 放熱性基板に複数個のＬＥＤチップが互いに間隔を開け、円環状に略等間隔で実装配置され、前記ＬＥＤチップが透光性材料で封止されているＬＥＤパッケージ部と、
   前記ＬＥＤパッケージ部上に配置され、前記各ＬＥＤチップの直上部で前記ＬＥＤチップ側に凹んだ凹部が形成されたレンズと、を備え、
   前記レンズの表面形状が、外周から中心に向けて凹んだ湾曲面を有することを特徴とするＬＥＤ光源。
2. 前記放熱性基板の前記ＬＥＤチップ実装側表面が鏡面反射性を有することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源。
3. 前記レンズの前記凹部の形状が、前記ＬＥＤチップの略中心軸上に頂角を有する逆円錐または逆多角錐形状であることを特徴とする請求項１または２記載のＬＥＤ光源。
4. 前記逆円錐または前記逆多角錐形状の凹部の頂角を構成する斜面が、前記ＬＥＤチップから出射した光の少なくとも一部を全反射させる斜面であることを特徴とする請求項３記載のＬＥＤ光源。
5. 前記レンズの前記凹部の開始端の直径が、前記ＬＥＤチップの対角寸法以上となっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
6. 前記レンズの前記凹部の開始端の外周表面形状が、湾曲面形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
7. 前記レンズの前記凹部の斜面を光反射性材料で形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
8. 前記レンズの前記凹部の開始端の外周表面に平面を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
9. 前記レンズの外周端形状を円形状としていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
10. 前記レンズは、その側面が平坦面となる円柱形状を含むことを特徴とする請求項９記載のＬＥＤ光源。
11. 円柱領域を含むレンズの円柱領域側面に凹凸加工を形成したことを特徴とする請求項１０記載のＬＥＤ光源。
12. 前記レンズの外周端部が前記ＬＥＤパッケージ部の外周端から突出するように形成されていることを特徴とする１〜１１のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
13. 前記ＬＥＤチップの周囲に、少なくとも表面に光反射性が付与されたダム材を設け、前記ダム材の内側に前記透光性材料が充填されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
14. 前記放熱性基板が、金属またはセラミック材料であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
15. 前記ＬＥＤパッケージ部に、前記ＬＥＤチップに励起発光し前記ＬＥＤチップと異なる色光あるいは波長の光を発する蛍光材料を備えたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
16. 前記蛍光材料は前記ＬＥＤチップの上部表面または側面に積層された蛍光材料層であることを特徴とする請求項１５記載のＬＥＤ光源。
17. 前記ＬＥＤチップ配置位置に対応するレンズの背面に蛍光材料を備えたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
18. 前記ＬＥＤパッケージ部は、各ＬＥＤチップ毎に囲まれるダム材を有するとともに、前記ダム材の内側を、蛍光材料を含んだ透光性樹脂で封止したことを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
19. 前記ＬＥＤパッケージ部は、各ＬＥＤチップ毎に囲まれるダム材を有するとともに、前記ダム材の内側を、透光性樹脂で充填し、かつ各ＬＥＤチップ上面にシート状の蛍光材料を備えたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
20. 前記ＬＥＤパッケージ部は、前記レンズとの対向面に前記ダム材の内側部に対応する大きさの開口部を有し、該開口部の内表面を光反射性とした中間導光材料層を有することを特徴とする請求項１８または１９記載のＬＥＤ光源。
21. 前記レンズの背面に、前記開口部に差し込み可能な凸部を形成し、かつ前記凸部表面に蛍光材料を備えることを特徴とする請求項２０記載のＬＥＤ光源。
22. 請求項１〜２１のいずれかに記載のＬＥＤ光源と透光性導光部材とを組み合わせたことを特徴とする発光体。
23. 前記透光性導光部材が前記ＬＥＤ光源を収容する凹部または開口部を有する導光板であることを特徴とする請求項２２記載の発光体。
24. 前記ＬＥＤ光源の背面外周端より外側の領域を光反射性材料で覆ったことを特徴とする請求項２３記載の発光体。
25. 前記透光性導光部材の前記ＬＥＤ光源との対向面に、透過光の輝度均斉化に寄与する光制御部材または光制御構造を備えたことを特徴とする請求項２３または２４記載の発光体。
26. 前記透光性導光部材の前記ＬＥＤ光源側端面との対向面に、縞状に縦に延びる凹凸形状が形成されていることを特徴とする請求項２３〜２５のいずれかに記載の発光体。
27. 前記透光性導光部材のＬＥＤ光源収容部の側面形状が、前記ＬＥＤ光源の前記レンズ形状に沿った湾曲形状又は階段形状であることを特徴とする請求項２３〜２６のいずれかに記載の発光体。
28. 前記透光性導光部材と前記ＬＥＤ光源との間に生じる空間に、透光性樹脂を充填したことを特徴とする請求項２３〜２７のいずれかに記載の発光体。
29. 前記発光体のＬＥＤ光源設置領域には、前記ＬＥＤ光源のうちレンズ部分のみ配置することを特徴とする請求項２３〜２８のいずれかに記載の発光体。

Images