JP2013526075A - 丸みを帯びた正方形レンズを具備するｌｅｄパッケージ - Google Patents

Abstract

実質的にランバートな光放射パターンをつくるべく、ＬＥＤパッケージにおいて、半球状レンズの代わりに丸みを帯びた正方形レンズが用いられる。丸みを帯びた正方形レンズをその対角線に沿って切断した丸みを帯びた方形レンズの断面部分は、対角線近傍の領域で半球状レンズをエミュレートするように、半円状の表面を形成する。丸みを帯びた方形レンズを二分する丸みを帯びた方形レンズの幅に沿って切断した丸みを帯びた方形レンズの断面部分は、前記半円状の表面よりも幅狭ではあるが前記半円状の面と同じ高さを有する、弾丸形状の面を形成する。丸みを帯びた方形レンズ方形レンズの４つの角は丸みを帯びている。丸みを帯びた方形レンズの表面は、上記の２つの表面形状間で滑らかに移行している。丸みを帯びた方形レンズは、同じパッケージボディ中の半球状レンズが取り得る最大径よりも大きな対角線を有するので、パッケージサイズを増大することなく、また、ランバート放射を維持したまま、より多くの光を出力すべく、より大きなＬＥＤダイが、丸みを帯びた方形レンズとともに用いられる。

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）パッケージに関し、特に、実質的にランバートな放射パターンを放射する、丸みを帯びた正方形レンズを有するＬＥＤパッケージに関する。

従来技術の図１は、参照によりその内容を本明細書に組み込まれる、本出願人の米国デザイン特許第Ｄ５９８，８７１号から複製されたＬＥＤパッケージ１０の上面斜視図である。当該パッケージの取引名はＲｅｂｅｌ（商標）である。パッケージ１０は、各辺が約３ｍｍである。パッケージ１０は、正方形状のＬＥＤダイを含み、当該ＬＥＤダイの各辺はパッケージ１０の辺に沿って配設される。ＬＥＤダイの中心軸は、半球状レンズ１２の中心軸に沿っている。アノード電極及びカソード電極は、プリント回路基板上の金属パッドへのハンダ付けのために、パッケージ１０の底面に設けられている。ＬＥＤ半導体層に形成されたアノード電極及びカソード電極は、パッケージ底面のアノード電極及びカソード電極に電気的に接続される。一般的に、ＬＥＤ層はサブマウントに搭載され、サブマウント電極は、順に、パッケージ電極に接続される。ＬＥＤ及びサブマウントについては、参照によりその内容を本明細書に組み込まれる、本出願人の米国特許第７，４５２，７３７号に詳述されている。発光パターンは、実質的にランバートであり、パッケージ１０の真上の平面上に円を形成する。

図２は、レンズ１２を具備したＬＥＤダイ１４及びパッケージ１０の配置を示す、パッケージ１０の上面図である。

図３は、図２における対角線３−３方向におけるパッケージ１０の側面図である。本出願人の実際のパッケージ１０の例では、半球状レンズ１２は、約２．５５ｍｍの直径を有し、ＬＥＤダイ１４は、１ｍｍの各辺を有する。ＬＥＤダイの対角線の長さは、約１．４ｍｍである。図３中、実際のＬＥＤダイ１４の縁は、実線で示されている。レンズ１２はＬＥＤダイ１４の上面からみて半球であるため、ＬＥＤダイ１４の中心点１６から全方位に放射される光線１５は、レンズ１２の表面へ実質的に直角に衝突する。このため、光線１５は、事実上、内部反射や屈折を伴うことなく、パッケージ１０から放射される。ＬＥＤダイ表面に沿って光のソースが中心点１６から移動するにつれ、全光線がレンズ１２の表面へ直角に衝突しなくなるため、最大屈折が増大する。パッケージ１０及びレンズ１２の大きさは、どの光線もレンズ１２によって内部反射されることが実質的にないように、約１ｍｍの最大辺を有するＬＥＤダイ１４に合わせて設計される。

例えば、図３は、ＬＥＤダイ１４の拡張を点線で示すとともに、拡大されたＬＥＤダイの角近くから放射された光線１８を示している。光線１８の角度は、光線１８のＴＩＲ（内部全反射）をもたらす臨界角よりも小さい。このため、そのような光は無駄になる。従って、パッケージ１０とともに使用される正方形状のＬＥＤダイの幅は、ＴＩＲを最小化するために、約１ｍｍ（ダイ１４の実線部分を参照）に制限される。

図４は、本出願人によるもう１つの従来技術であるパッケージ２０の上面斜視図である。パッケージ２０は、図１に示したパッケージ１０と同じ幅と同じレンズ１２とを有するが、パッケージ１０よりも長い。レンズ１２の直径はパッケージ２０の幅に制限される。

いくつかのアプリケーションでは、同じパッケージ１０を用いて、より大きな出力が要求される。ここで、「高出力」なパッケージの電極スペース及びサイズは、既存のパッケージ１０と同じにしたままであることが要求される。また、実質的にランバートな放射パターンも実質的に同じであることが要求される。より多くの光を放射すべく、より幅広のＬＥＤダイを用いることができるが、より大きなＬＥＤダイが用いられた場合、半球状レンズ１２におけるＴＩＲにより、パッケージ効率が大幅に低下する。パッケージ１０の幅を大きくすることなく、半球状レンズ１２の直径を大きくすることはできない。

本発明者は、既存のパッケージ（図１または図４）からより多くの出力光を生成するという問題に直面した。しかし、パッケージサイズ（スペース）を変更することはできない。本発明者は、上記の問題を本発明により解決した。

図１または図４のパッケージの半球状レンズ１２の代わりに丸みを帯びた方形レンズが用いられる。ここで、丸みを帯びた方形レンズの幅は、丸みを帯びた方形レンズをパッケージ１０内に適合させるべく、半球状レンズ１２の直径と同じ長さである。

丸みを帯びた方形レンズを対角線によって切断した丸みを帯びた方形レンズの断面部分は、対角線及びその近傍に沿って半球状レンズをエミュレートする（なぞる）ため、半円状の面を形成している。丸みを帯びた方形レンズを幅寸法方向に二分する丸みを帯びた方形レンズの断面部分は、前述の半円状の面と同じ高さを有する、幅狭の弾丸形状の面を形成している。丸みを帯びた方形レンズの４つの角は丸みを帯びている。丸みを帯びた方形レンズの表面は、上記の２つの表面形状間で滑らかに移行している。

出力光パターンは実質的にランバートであり（正方形状のＬＥＤダイとともに用いられる、半球状レンズの光放射に実質的に似ている）、パッケージ上の平面において、正方形状のパターンよりもむしろ、実質的に円形のパターンを形成する。

丸みを帯びた方形レンズはパッケージ中の半球状レンズの最大径よりも大きな対角線を有するので、より大きなＬＥＤダイを丸みを帯びた方形レンズとともに用いることができる。このため、ＴＩＲを最小限あるいは無しにしつつ、パッケージサイズを増大することなく、さらに、ランバート光パターンを大きく変更することなく、より大きなＬＥＤダイを用いてより多くの光を放射することができる。具体的には例えば、従来のパッケージ１０では約１．１ｍｍの最大幅を有するＬＥＤダイしか使用できなかったのに対して、新しいパッケージでは各辺１．４ｍｍまでの大きさを有するＬＥＤダイを用いることができる。これにより、ＬＥＤダイの上面から放射される光が倍増される。

例えば、カメラのフラッシュに用いられる古いパッケージ１０を、丸みを帯びた方形レンズをそなえた新しいパッケージに交換することにより、カメラのデザインを変更することなく、出力光を倍増することが可能となる。

ＬＥＤダイの上面より下方に位置するレンズ形状は、さほど重要ではない。ＬＥＤダイの上面より下方からは、ほとんど光は放射されないからである。従って、ＬＥＤダイの上面より下方におけるレンズ形状は、レンズをパッケージボディに取り付けしやすくするために、より尖った角，縁または他の特徴を有していてもよい。

ＬＥＤダイは、フリップチップ実装であってもよいし、上面及び下面に電極を有していてもよいし、あるいは、上面のみに電極を有していてもよい。

半球状レンズを有する従来のＬＥＤパッケージの上面斜視図である。 図１のパッケージの簡単な上面図である。 図２の対角線３−３に沿った側面図であり、ＬＥＤダイの異なる点から放射された光線を示す図である。 図１のパッケージと同じ幅及び同じレンズを有するが、より長い、他の従来のパッケージの上面斜視図である。 本発明の一実施形態による、図１の半球状レンズの直径と同じ幅を有する丸みを帯びた方形レンズとより大きなＬＥＤダイとを組み込んだ図１のパッケージの簡単な上面図である。 図５の対角線６−６方向についての側面図であり、光線がＬＥＤダイの角近傍から放射された最悪の場合であってもＴＩＲが生じないことを示す図である。 図５の線分７−７方向についての側面図であり、光線がＬＥＤダイの角近傍から放射された最悪の場合であってもＴＩＲが生じないことを示す図である。 より丸みを帯びた角を有する丸みを帯びた方形型のレンズについての上面図である。 図８のＬＥＤダイ及びレンズによる実質的にランバートな光放射によりパッケージの上の平板に生成される、等輝度境界を有する、実質的に円形の光パターンの一例を示す図である。 なお、同じあるいは同様の構成要素については、同じ符号を付す。

図５〜図８は、本発明を示している。

図５〜図７では、パッケージ２４のボディ２２は、セラミック，プラスチック，シリコンまたは他の素材により構成されてもよい。ボディ２２のサイズは、従来のパッケージ１０，２０のボディのサイズとぴったり同じであってもよく、電極構造についても全く同じであってもよい。このため、パッケージ２４は、任意のアプリケーションにおいてパッケージ１０，２０の代替となり得る。ただ、ＬＥＤダイ２６のサイズ及びレンズ２８のサイズのみが異なる。例えば、ＬＥＤダイ２６は、金属パターンを有するセラミックサウマウントに搭載されたＬＥＤ半導体層を含み、サブマウント上の電極は、図１により既述したように、パッケージ電極に接続される。また、他の実施形態では、ＬＥＤダイ２６はサブマウントを含まない。

具体的には例えば、図１及び図４に示した従来の半球状レンズ１２の直径は約２．５５ｍｍであり、図５に示した球状正方形レンズ２８の幅も、従来のパッケージ１０，２０と同じサイズのパッケージに適用可能とすべく、同じである。方形パッケージ２４の幅は、約３ｍｍである。パッケージ２４のサイズも、図４のパッケージ２０のサイズと同じである。

図６は、図５の対角線６−６から見た（ＬＥＤダイ２６及びパッケージの角と対面する向きからの）レンズ２８の最も幅が広い側を示す側面図である。線分６−６から見た場合、レンズ２８は、レンズ２８の表面に沿った全ての点がＬＥＤダイ２６の中心点から等距離となるように、ＬＥＤダイ２６の上面側に半円を形成する。従って、線分６−６の平面における中心点からの全ての光線は、レンズ２８の表面と直交する。レンズ２８を対角線方向に見ているので、レンズ２８は、図７の線分７−７から見た場合のレンズ２８よりも幅広となっている。

半円の幅（即ち、半径の２倍）により、その高さ（半径）が定まる。対角線方向に沿って（図６参照）、レンズ２８の幅（Ｗ１）は、ＬＥＤダイ２６の上面からレンズ２８までの高さ（Ｈ）の実質的に２倍となっている。これは、レンズの対角線近くにおけるレンズの形状を半球状に保つためである。

パッケージ２４の平坦面から見た図７では、レンズ２８の高さ（Ｈ）は、図６と同じであるが、幅（Ｗ２）は、大幅に小さくなっている。このため、線分７−７から見た場合のレンズ２８の形状は、より弾丸形状となっている。レンズ２８の表面は、上記２つの形状間で滑らかに移行している。

角における内部多重反射を避け、実質的にランバートな光放射の形成を助長するため、レンズ２８の角は丸みを帯びている（４分の１円弧となっている）。角に丸みを設けることで、対角線方向の幅（Ｗ１）は小さくなる。

レンズ２８からの全体の光放射は、レンズが実体的にほぼ半球状であること、及び、角が丸みを帯びていることによるランバートであることが観測者によって把握される。

図６は、ＬＥＤダイ２６の角から光線３０が放射される最悪のケースを示している。光線３０の角度は臨界角よりも大きいためＴＩＲは発生しない。同様に、図７は、ＬＥＤダイ２６の側面近くから光線３２が放射される最悪のケースを示している。光線３２の角度は臨界角よりも大きいためＴＩＲは発生しない。本例では、正方形状のＬＥＤダイ２６を約１．４ｍｍ辺（これは、図３のＬＥＤダイ１４が取り得るサイズの対角線長とおよそ等しい）までＴＩＲを生じさせることなく大きくすることができるため、ＬＥＤダイ２６の上面領域を約２倍にすることができ、これにより、パッケージ２４からの出力光量は、従来のパッケージ１０，２０の出力光量の約２倍となる。

図６及び図７は、パッケージ２４の底面電極３６、３８についても示している。また、図６及び図７は、パッケージ２４の上面金属パッドと接するＬＥＤダイ２６の底面に設けられた電極４０、４２についても示している。電極４０、４２は、パッケージ底面電極３６，３８と金属バイアス４４または他の金属パスにより接続される。ＬＥＤダイ２６は、櫛歯型、点状、棒型などを含むいずれの金属パターンを有していてもよい。

レンズ２８及びＬＥＤダイ２６は、図４に示したパッケージ２０においても使用可能である。一実施形態では、レンズ２８は成形されたシリコンから形成されるが、他の透明あるいは半透明材料から形成されてもよい。

一実施形態では、レンズ２８は、底面にキャビティを有する。まず、ＬＥＤダイ２６がシリコンによって封入され、次いで、レンズ２８がＬＥＤダイ２６の上に配置され、パッケージのボディに取り付けられる。このとき、ＬＥＤダイ２６は、レンズ２８と光学的に結合されるように、レンズのキャビティの中に入れられている。

図８は、レンズ２８に似ているが、より丸みを帯びた（より大きな曲率半径を有する）角を有する丸みを帯びた方形レンズ４８についての他の実施形態を示す。このような丸みにより、光放射はよりランバートとなるが、ＴＩＲを伴わずに取り得るＬＥＤダイ２６の最大サイズがやや減少する。例えば、角の曲率半径は、レンズ幅の４分の１から６分の１とすることができる。角の曲率半径が十分大きければ、側面はやや湾曲し得る。

一実施形態では、正方形レンズが丸みを帯びた角を有することにより、（ＬＥＤダイの上面における）レンズの対角線長さは、レンズ幅の約１．１倍〜１．３倍となる。これに対し、尖った幅を有する正方形レンズでは、対角線長さがレンズ幅の約１．４１４倍となる。対角線方向の平面においてダイの上面側に半円を形成するため、ＬＥＤダイの上面からレンズまでの高さは、対角線長さの半分である。従って、約２．５５ｍｍの幅を有するレンズでは、一実施形態における対角線長さは約２．８ｍｍ〜３．３ｍｍの間であり、高さは最大で約１．４ｍｍ〜１．６５ｍｍである。

丸みを帯びた正方形レンズの対角線長さに対する幅の比は、約１．２であるのが好ましい。約２．５５ｍｍの幅を有するそのようなレンズでは、図８に例示するように、レンズの対角線長さは約３ｍｍ、レンズの高さは最大で約１．５ｍｍ、パッケージボディの幅は３ｍｍ、ＬＥＤダイの最大サイズは各辺１．４１ｍｍである。なお、レンズ側面は、やや湾曲しているのが好ましい。

図９は、図８のＬＥＤダイ及びレンズによる実質的にランバートな光放射によりパッケージの上の平板に生成される、等輝度境界を有する、実質的に円形の光パターンの一例を示している。図８の等輝度境界の外側では、輝度がなだらかに小さくなっていくため、円形パターン５２から外れた光は観測者によって全く把握されない。

丸みを帯びた正方形レンズのサイズについては、レンズの基本的な相対寸法を維持していれば、最大輝度を得るために、実質的にランバートな光放射パターンとＬＥＤダイサイズの最大化を実現しつつも、パッケージの外径を最小化すべく、適用するパッケージや共に用いるＬＥＤダイに合わせて適宜変更してもよい。

レンズは、実質的にランバートな光放射を維持できれば、他の２つの側面よりもやや長い２つの側面を有していてもよく、丸みを帯びた正方形である必要はない。ＬＥＤダイについても、他の２つの側面よりもやや長い２つの側面を有していてもよい。ここでは、"長方形状"という用語が、正方形状を含む意味で用いられる。

レンズの対角線方向では半円状または半球状が形成されていると述べたが、これはあくまで理想であって、現実上、実質的に半円状となることが許容されるであろう。本開示の目的上、現実における多様なレンズ形状を考慮して、ここでは半円状としている。

ＬＥＤダイの上面より下方からはほとんど光放射がないため、前述及び主張したレンズの相対寸法は、ＬＥＤダイの上面より上方のレンズの領域のみに適用される。

ＬＥＤダイは、蛍光体被覆またはサブマウントのあるなしに関わらず、いずれのタイプの素子であってもよい。ＬＥＤダイは、フリップチップ実装であってもよいし、上面及び下面に電極を有していてもよいし、あるいは、上面のみに電極を有していてもよい。

本発明の特別な実施形態について示し、記載したが、この分野の当業者にとって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、より広い観点へ変更及び修正を適宜行ない得ることは明確である。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の範囲及び意図する所の範囲内での前述の変更及び修正を包含し得る。

Claims (11)

1. 上面を有するＬＥＤダイと、
   前記ＬＥＤダイに接続された電極及びボディを有し、前記ＬＥＤダイを含むパッケージと、
   前記ボディに搭載された、丸みを帯びた方形レンズと、を有し、
   前記丸みを帯びた方形レンズは、丸みを帯びた角を有し、
   前記丸みを帯びた方形レンズは、前記丸みを帯びた方形レンズの対角線方向の断面に沿って実質的に半円状の面を有し、前記丸みを帯びた方形レンズの前記対角線方向の断面は第１の幅を有し、前記実質的に半円状の面は前記ＬＥＤダイの前記上面の実質的に中心点上に最大高さＨを有し、
   前記丸みを帯びた方形レンズは、前記丸みを帯びた方形レンズを二分する前記丸みを帯びた方形レンズの幅寸法に沿って半円状でない弾丸形状の面を有し、前記弾丸形状の面は前記第１の幅よりも小さい第２の幅を有し、前記弾丸形状の面は前記ＬＥＤダイの前記上面上に前記実質的に半円状の面が有する前記最大高さＨと一致する最大高さＨを有し、
   前記丸みを帯びた方形レンズの表面は、前記実質的に半円状の面と前記弾丸形状の面との間で、前記ＬＥＤダイの前記上面上において尖った角を有することなく滑らかに移行しており、
   前記丸みを帯びた方形レンズは、前記ＬＥＤダイが活性化されると、実質的にランバートな光放射パターンをつくる、ＬＥＤ装置。
2. 前記丸みを帯びた方形レンズは、丸みを帯びた正方形レンズである、請求項１記載のＬＥＤ装置。
3. 前記ＬＥＤダイは、実質的に正方形形状であり、
   前記ＬＥＤダイの角は、前記丸みを帯びた方形レンズからの内部全反射が実質的にないように、前記丸みを帯びた方形レンズの丸みを帯びた角から十分に離されている、請求項２記載のＬＥＤ装置。
4. 前記丸みを帯びた方形レンズは、約２．５ｍｍの側面間の幅を有し、
   前記ＬＥＤダイは、１ｍｍよりも大きい辺を有する、請求項２記載のＬＥＤ装置。
5. 前記丸みを帯びた方形レンズの対角線の幅は、前記丸みを帯びた方形レンズの側面間の幅の約１．１倍〜１．３倍である、請求項２記載のＬＥＤ装置。
6. 前記パッケージのボディは、約３ｍｍの幅を有し、
   前記ＬＥＤダイは、１ｍｍよりも大きい辺を有する、請求項２記載のＬＥＤ装置。
7. 前記丸みを帯びた方形レンズの辺は、直線である、請求項２記載のＬＥＤ装置。
8. 前記丸みを帯びた方形レンズの辺は、湾曲している、請求項２記載のＬＥＤ装置。
9. 前記パッケージのボディは、約３ｍｍの幅を有し、
   前記丸みを帯びた方形レンズの側面間の幅は、約２．５ｍｍであり、
   前記丸みを帯びた方形レンズの対角線上の幅は、約３ｍｍであり、
   前記ＬＥＤダイの上の高さは、約１．５ｍｍである、請求項２記載のＬＥＤ装置。
10. 前記ＬＥＤダイは、１．３ｍｍより大きい辺を有する、請求項９記載のＬＥＤ装置。
11. 前記ＬＥＤダイは、約１．４ｍｍの辺を有する、請求項１０記載のＬＥＤ装置。

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