JP2015165536A - 発光装置および発光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 単位面積当たりの光取り出し効率が高い発光装置および発光モジュールの提供。【解決手段】 発光装置は、基板上に設けられた板状の発光素子の発光面上に封止レンズが形成されており、前記封止レンズは、球欠体形状部を有し、その底面が発光素子の発光面に密接されており、前記封止レンズの球欠体形状部における底面と平行な面における最大径が、当該底面における同一方向の径より大きく、前記封止レンズの球欠体形状部における底面の外周縁が、前記発光素子の発光面上に位置されていることを特徴とする。発光モジュールは、複数の発光装置を備え、各発光装置の基板が共通のものであり、当該発光装置が、上記の発光装置であることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、発光装置およびこれを複数備えた発光モジュールに関する。更に詳しくは、ＬＥＤや固体蛍光体などの発光素子および当該発光素子上に配置された封止レンズを備える発光装置および発光モジュールに関する。

近年、同一平面上に複数の発光素子を配列させた線状または面状の光源装置の開発が進んでおり、照明装置や光処理装置、医療用装置などの様々な装置の光源として使用されている。
上記の光源装置においては、より高出力の光を得るために、単位面積あたりの発光素子の実装密度をより高くすることや、各発光素子からの光の取出し効率を向上させることなどが求められている。

発光素子からの光の取出し効率を向上させるための技術として、例えば特許文献１には、図９に示されるように、凹状の収容部５０内における基板５２上に設けられた板状の発光素子５１が、この収容部５０内に透明樹脂を充填することによって形成された封止樹脂層５５によって封止された発光装置が開示されている。このような発光装置においては、発光素子５１と大気との間に封止樹脂層５５が介在しているので、発光素子５１と大気との屈折率差が小さく抑制され、その結果、大気との界面における全反射による光の損失を防止することができる。
また例えば、特許文献２には、図１０に示されるように、基板６２上に配設された板状の発光素子６１が、表面が曲面形状である封止レンズ６５内に封止された発光装置が開示されている。図１０において、６７は導電性ワイヤであり、６８は配線である。このような発光装置においては、封止レンズ６５の表面である光出射面６５ａが曲面形状を有するために、図９に示される封止樹脂層５５よりも、当該光出射面６５ａにおける全反射による光の損失を抑制することができる。従って、光取出し効率を向上させることができる。

特開２００６−３０３３９６号公報 特開２００８−１０８８６１号公報

一方、基板上に複数の発光素子を実装させる発光モジュールにおいては、高出力の光を得るために、発光素子の実装密度を高めることが求められている。
然るに、発光素子上に上記の特許文献２に記載の発光装置に示されるような封止レンズ６５を設けた場合には、各封止レンズ６５による面方向の空間占有率が大きいために、発光素子の実装密度を高めることが難しい。あるいは発光素子の実装密度を高めた場合には、発光素子同士の間隔が狭くなって隣接する発光素子間において封止レンズを形成するときに封止材が相互に干渉し、当該封止レンズの形状の悪化を招きやすい、という問題がある。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、単位面積当たりの光取り出し効率が高い発光装置および発光モジュールを提供することにある。

本発明の発光装置は、基板上に設けられた板状の発光素子の発光面上に封止レンズが形成されており、
前記封止レンズは、球欠体形状部を有し、その底面が発光素子の発光面に密接されており、
前記封止レンズの球欠体形状部における底面と平行な面における最大径が、当該底面における同一方向の径より大きく、
前記封止レンズの球欠体形状部における底面の外周縁が、前記発光素子の発光面上に位置されていることを特徴とする。

本発明の発光装置においては、前記発光素子が矩形のものであり、
前記封止レンズの球欠体形状部の球欠高さＬｈが、前記発光素子の最大の一辺の長さＬａとの関係において、Ｌｈ≧Ｌａ／２の関係を満たすことが好ましい。

本発明の発光モジュールは、複数の発光装置を備え、各発光装置の基板が共通のものであり、
当該発光装置が、上記の発光装置であることを特徴とする。

本発明の発光装置は、発光素子の発光面上に球欠体形状部を有する封止レンズを備えており、さらに、当該球欠体形状部の最大径が底面の径より大きいものとされている。従って、封止レンズの光出射面が曲面形状を有し、かつ、発光素子の発光面からの鉛直方向の封止レンズの高さが十分に高いので、当該封止レンズの光出射面における全反射による光の損失を極めて抑制することができ、従って、高い光取出し効率が得られる。しかも、封止レンズの球欠体形状部の底面の外周縁の少なくとも一部が発光素子の発光面の外周縁上に位置しているために、当該封止レンズによる面方向の空間占有率が小さく抑制されるので、高い単位面積当たりの光取り出し効率が得られる。

本発明の発光モジュールは、共通の基板上に上記の発光素子および封止レンズが複数実装されて構成されている。従って、本発明の発光モジュールにおいては、発光素子が高い実装密度で実装された場合にも封止レンズに変形などが生じることが抑止されるので、光取り出し効率の低下が抑制され、その結果、高い単位面積当たりの光取り出し効率が得られる。

本発明の発光装置の構成の一例を示す説明用斜視図である。 図１のＸ−Ｘ線断面図である。 図１のＹ−Ｙ線断面図である。 図１の発光装置の封止レンズの斜視図である。 封止レンズにおける光の全反射を説明するための模式図である。 本発明の発光装置の構成の他の一例を示す説明用概略図である。 本発明の発光モジュールの構成の一例を示す断面図である。 図７の発光モジュールの前面ガラスおよび支持部材を除いて示す平面図である。 従来の発光装置の構成の一例を示す説明図である。 従来の発光装置の構成の他の例を示す説明図である。

図１は本発明の発光装置の構成の一例を示す説明用斜視図、図２は図１のＸ−Ｘ線断面図、図３は図１のＹ−Ｙ線断面図、図４は図１の発光装置の封止レンズの斜視図である。
本発明の発光装置１は、基板（図示せず）上に設けられた例えば正方形などの矩形の板状の発光素子１５と、当該発光素子１５の表面（発光面）１５ａ上に形成された、球欠体形状部１１を有する封止レンズ１０とを備えてなる。

発光素子１５は、固体光源よりなり、具体的にはＬＥＤや固体蛍光体などよりなる。発光素子の発光波長は、例えば３００〜８００ｎｍとされる。
発光素子１５の底面１５ｂには、例えば配線等が形成された基板（図示せず）が配置されている。

封止レンズ１０は、球欠体形状部１１と、当該球欠体形状部１１の下部に球欠体形状部１１と一体的に形成された４つの角部１２とからなる。球欠体形状部１１は、球体の一部を平面（底面１１ｂ）によって切り欠いた形状を有するものであり、光出射面となる球面１１ａを有する。また、角部１２は、平坦な底面１２ｂと３つの側面とを有する三角錐状の小片からなるものである。そして、各角部１２が、その１つの側面が球欠体形状部１１の下部の側周面に密接し、かつ、各底面１２ｂが球欠体形状部１１の底面１１ｂと同じレベル位置で、当該底面１１ｂと４つの底面１２ｂとによって発光素子１５の発光面１５ａと同じ形状が形成される配置状態において、これらが一体的に形成されている。
球欠体形状部１１は、球欠体形状部１１の底面１１ｂと平行な面のうち最大面積の面（最大面）における最大径Ｃが、当該球欠体形状部１１の底面１１ｂにおける同一方向の径Ｄよりも大きいものとされている。すなわち、球欠体形状部１１は、球体の一部を切り欠く平面（底面１１ｂ）の位置が球体の下半球の位置にある形状を有する。このように、図５（ａ）に示されるように、球欠体形状部１１の球欠高さＬｈ１がある程度の大きさを有すると、図５（ｂ）に示されるような球欠高さＬｈ２が低い球欠体形状部１１ｘに比べて発光素子１５からの光の球面における全反射を抑制しやすくなる。その結果、高い光取り出し効率を得ることができる。なお、球欠体形状部１１の球欠高さＬｈとは、底面１１ｂからの鉛直方向の高さをいう。

球欠体形状部１１の底面１１ｂと４つの角部１２の底面１２ｂとからなるレンズ底面１３は、発光素子１５の発光面１５ａに密接されており、発光素子１５の底面１５ｂおよび側面には接さない状態とされている。そして、レンズ底面１３における球欠体形状部１１の底面１１ｂの外周縁の少なくとも一部が発光素子１５の発光面１５ａの外周縁上に位置している。この発光装置１においては、当該レンズ底面１３の外周縁の全部が発光素子１５の発光面１５ａの外周縁上に位置し、発光素子１５の発光面１５ａの外周縁を構成する正方形の各辺に１点ずつ、球欠体形状部１１の底面１１ｂの外周縁との接点を有している。すなわち、発光素子１５の発光面１５ａの形状とレンズ底面１３の形状が完全に一致しており、従って、発光素子１５の発光面１５ａが封止レンズ１０のレンズ底面１３によって完全に被覆されている。
このような、発光素子１５の発光面１５ａが封止レンズ１０のレンズ底面１３によって完全に被覆された発光装置１においては、封止レンズ１０における、球欠体形状部１１の底面１１ｂの外周縁と発光素子１５の発光面１５ａの外周縁との一致点Ｑに引いた接線Ｐと発光素子１５の発光面１５ａとによってなされる封止レンズ接触角αが、α＞９０°とされる。

また、発光装置１においては、球欠体形状部１１の球欠高さＬｈが、発光素子１５の最大の一辺の長さＬａとの関係において、Ｌｈ≧Ｌａ／２の関係を満たすものとされていることが好ましい。
このように、球欠体形状部１１の球欠高さＬｈが上記の条件を満たす程度の大きさを有することによって、発光素子１５からの光が球欠体形状部１１の球面１１ａにおいて全反射されることを抑制しやすくなり、高い光取り出し効率を得ることができる。

封止レンズ１０は、液状の封止材を発光素子１５の発光面１５ａ上に滴下する工程を有するポッティング加工により発光素子１５の発光面１５ａ上に形成することが好ましい。ポッティング加工を採用することにより、封止レンズ接触角αが９０°より大きい封止レンズ１０を容易に形成することができる。
ポッティング加工においては、固体である発光素子１５の発光面１５ａ上に滴下された液状の封止材は、当該封止材の表面張力によって、その表面が湾曲された形状とされる。従って、「濡れのピン止め効果」と呼ばれる物理現象に基づき、ポッティング加工における封止材の滴下量と、発光素子１５の材質や大きさなどを調整することによって、封止レンズ接触角αが９０°より大きい封止レンズ１０を形成することができる。

封止レンズ１０を形成するための封止材としては、ゾルゲル法によるガラスや、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの透明樹脂などを用いることができる。

以上のような発光装置１の仕様の一例を以下に示す。
発光素子１５がＬＥＤよりなり、発光素子１５の発光面１５ａのサイズが縦（Ｌａ）１ｍｍ×横（Ｌａ）１ｍｍ×厚み０．１ｍｍ、封止レンズ１０がシリコーン樹脂よりなり、封止レンズ１０の球欠体形状部１１の最大径Ｃが１．６ｍｍ、球欠体形状部１１の球欠高さＬｈが１．３ｍｍである。

上記の発光装置１においては、発光素子１５の発光面１５ａから放射された光は、球欠体形状部１１の底面１１ｂから当該球欠体形状部１１に入射し、球欠体形状部１１の球面１１ａに到達して、当該球面１１ａにおいて全反射されずに屈折して外部に出射される。

このような発光装置１は、発光素子１５の発光面１５ａ上に球欠体形状部１１を有する封止レンズ１０を備えており、さらに、当該球欠体形状部１１の最大径Ｃが球欠体形状部１１の底面１１ｂの径Ｄより大きいものとされている。従って、封止レンズ１０の光出射面（球欠体形状部１１の球面１１ａ）が曲面形状を有し、かつ、発光素子１５の発光面１５ａからの鉛直方向の封止レンズ１０の高さが十分に高いので、光出射面である球欠体形状部１１の球面１１ａにおける全反射による光の損失を極めて抑制することができ、従って、高い光取出し効率が得られる。しかも、封止レンズ１０の底面１１ｂの外周縁の少なくとも一部が発光素子１５の発光面１５ａの外周縁上に位置しているために、当該封止レンズ１０による面方向の空間占有率が小さく抑制されるので、高い単位面積当たりの光取り出し効率が得られる。

本発明においては、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、図６に示すように、発光素子がいわゆるフリップチップ型の発光素子２５である構成とすることもできる。図６において、２７は配線、２８は基板である。

＜発光モジュール＞
図７は、本発明の発光モジュールの構成の一例を示す断面図、図８は、図７の発光モジュールの前面ガラスおよび支持部材を除いて示す平面図である。
本発明の発光モジュールは、上記の発光装置１を複数備えてなる。具体的には、同一の基板４８上に、発光素子１５および封止レンズ１０が複数実装されて構成されたものである。
図７において、４３は前面ガラスであり、基板４８の発光素子１５の設置面の外縁部に設けられた枠状の支持部材４４によって支持されている。

本発明の発光モジュールは、共通の基板４８上に上記の発光素子１５および封止レンズ１０が複数実装されて構成されている。従って、本発明の発光モジュールにおいては、発光素子１５が高い実装密度で実装された場合にも封止レンズ１０に変形などが生じることが抑止されるので、光取り出し効率の低下が抑制され、その結果、高い単位面積当たりの光取り出し効率が得られる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。

〔実験例１〕
図１に示す構成に従った発光素子（１５）を有し、下記の仕様を有する発光モジュール〔１〕を作製した。
［発光素子（１５）］
種類：ＬＥＤ，寸法：１ｍｍ（縦：Ｌａ）×１ｍｍ（横：Ｌａ）×０．１ｍｍ（厚み），材質：ＧａＮ、発光波長：３９５ｎｍ
個数：１２０個
［封止レンズ（１０）］
材質：シリコーン樹脂，球欠高さＬｈ：１．３ｍｍ

〔比較実験例１〕
実験例１において、封止レンズを形成しなかったこと以外は、発光モジュール〔１〕と同様の構成および仕様の発光モジュール〔２〕を作製した。

発光モジュール〔１〕，〔２〕について、それぞれ、前面ガラス出射面から５ｍｍ離間した位置において照度を測定した。発光モジュール〔２〕についての照度を１００％とした相対値を表１に示す。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることが可能である。

１ 発光装置
１０ 封止レンズ
１１、１１ｘ 球欠体形状部
１１ａ 球面
１１ｂ 底面
１２ 角部
１２ｂ 底面
１３ レンズ底面
１５ 発光素子
１５ａ 発光面
１５ｂ 底面
２５ 発光素子
２７ 配線
２８ 基板
４３ 前面ガラス
４４ 支持部材
４８ 基板
５０ 収容部
５１ 発光素子
５２ 基板
５５ 封止樹脂層
６１ 発光素子
６２ 基板
６５ 封止レンズ
６５ａ 光出射面
６７ 導電性ワイヤ
６８ 配線

Claims (3)

1. 基板上に設けられた板状の発光素子の発光面上に封止レンズが形成されており、
   前記封止レンズは、球欠体形状部を有し、その底面が発光素子の発光面に密接されており、
   前記封止レンズの球欠体形状部における底面と平行な面における最大径が、当該底面における同一方向の径より大きく、
   前記封止レンズの球欠体形状部における底面の外周縁が、前記発光素子の発光面上に位置されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記発光素子が矩形のものであり、
   前記封止レンズの球欠体形状部の球欠高さＬｈが、前記発光素子の最大の一辺の長さＬａとの関係において、Ｌｈ≧Ｌａ／２の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 複数の発光装置を備え、各発光装置の基板が共通のものであり、
   当該発光装置が、請求項１に記載の発光装置であることを特徴とする発光モジュール。
   
   
   

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