JP3246495B2 - 半導体発光モジュール用アウタレンズ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズ、特に小型
・薄型且つ高出力の半導体発光モジュール用アウタレン
ズに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】複数の半導体発光装置又は半導体発光素
子が単一の外囲体に組み込まれて成る半導体発光装置を
構成する所謂半導体発光モジュールは公知である。図２
０に示す従来の半導体発光モジュールは、プリント基板
（1）と、プリント基板（1）に実装された複数個の発光
ダイオード（2）と、発光ダイオード（2）を包囲してプ
リント基板（1）に取り付けられた外囲体（3）から成
り、複数個の発光ダイオード（2）をそれぞれの配光方
向を揃えて一体に形成される。発光ダイオード（2）
は、外部リード（4）と、外部リード（4）の端部に固定
されたレンズ（5）とを有する。図示しないが、外部リ
ード（4）はヘッダ（皿状支持電極体）を備え、レンズ
（5）は外部リード（4）のヘッダに固着された発光ダイ
オード素子を封止する。また、道路交通を円滑にして安
全性を向上するために、カーナビゲーションシステムに
通信機能を付加して車両に対しリアルタイムで交通情報
を送受信するＶＩＣＳ（Vehicle Information Communic
ation System）が提案され、平成８年４月より一部の地
域で運用が開始されている。図１９に示すように、ＶＩ
ＣＳでは走行中の車両に設置されたカーナビゲーション
システムを含む車載機と道路脇に設置された地上機との
間で双方向光通信が行われ、ＶＩＣＳの通信媒体である
光ビーコンの光源には半導体発光モジュールとして集合
ランプ形の赤外発光ダイオードモジュールが使用され
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、光通信を目
的として自動車に搭載される半導体発光モジュールにお
いては、特にモジュールが小面積（小型）であり且つ薄
型であることが要求される。ここで、図２０の半導体発
光モジュールでは、外部リード（4）を備え且つ個別に
完成した樹脂封止型の発光ダイオード（2）を回路基板
（1）に配置した構成となっており、レンズ（5）の横幅
Ｌ及び高さＨが比較的大きいため、このような要求を満
足することができない。そこで、本発明は、光通信用等
の光源のレンズとして最適で、小型・薄型且つ高出力化
が可能な半導体発光モジュール用アウタレンズを提供す
ることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】複数のレンズ部（33）に
より複数の半導体発光装置（12）から照射される光の散
乱を抑制する本発明の半導体発光モジュール用アウタレ
ンズ（15）は、透光性材料により板状に形成されたレン
ズ本体（15c）と、レンズ本体（15c）に一体に形成され
且つレンズ本体（15c）の一方の主面（15a）から突出す
る外面を有する複数のレンズ部（33）と、レンズ本体
（15c）の他方の主面（15b）から突出して、複数の半導
体発光装置（12）を固着した回路基板（11）の第１及び
第２の開口部（61）に挿入される第１及び第２の脚部
（15d）と、第１及び第２の脚部（15d）の各先端に形成
され且つ第１及び第２の開口部（61）の周壁（62）に係
止される爪部（15e）とを備えている。第２の脚部（15
d）は、湾曲形状に形成され、第１の開口部（61）の周
壁（62）に係止された第１の脚部（15d）の爪部（15e）
を支点として、第２の脚部（15d）を弧状運動させて、
回路基板（11）の第２の開口部（61）に挿入し、第２の
脚部（15d）の爪部（15e）を第２の開口部（61）の周壁
（62）に係止するので、脚部（15d）に過剰な応力を加
えることなく容易にアウタレンズ（15）を回路基板（1
1）に取り付けることができる。更に、脚部（15d）の間
に形成された突起（15f）を回路基板（11）の孔部（6
3）に装着することにより、レンズ本体（15c）を正確な
位置に保持することも可能である。このように、レンズ
本体（15c）の他方の主面（15b）から突出する脚部（15
d）を回路基板（11）に装着できるため、外囲体が不要
で取り付け容易であり且つ半導体発光モジュールの小型
化・薄型化が可能となる。特に、脚部（15d）の先端に
形成された爪部（15e）を回路基板（11）に形成された
開口部（61）に挿入することにより、スナップ作用を利
用してワンタッチでアウタレンズ（15）を回路基板（1
1）に取り付けることができる。

【０００５】本発明の実施の形態では、レンズ部（33）
は非球面のほぼ半エッグ表面を有し、短軸（33a）及び
長軸（33b）に沿う半径の大きさ比が２：２.１〜２：５
の範囲である。このようにレンズ部（33）を形成するこ
とにより、正面光出力を大きく損なわず且つ地上機の矩
形の通信エリアに要求された横長の指向特性を得ること
ができる。真の球面状のレンズを作製しても樹脂の部分
的な収縮により光学的な歪が発生するが、半エッグ表面
とすることにより、樹脂の収縮による問題を回避でき
る。また、レンズ本体（15c）の他方の主面（15b）に反
射壁（13）を形成して、発光効率を増大させてもよい。
更に、脚部（15d）の間に形成された突起（15f）を回路
基板（11）の孔部（63）に装着することにより、レンズ
本体（15c）を正確な位置に保持することも可能であ
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、発光ダイオードモジュール
に適用した本発明による半導体発光モジュール用アウタ
レンズの実施の形態を図１〜図１８について説明する。
図１に示す発光ダイオードモジュールは、回路基板（1
1）、半導体発光装置としてのチップ型発光ダイオード
（表面実装型発光ダイオード）（12）及び反射壁（13）
が一体に形成されたアウタレンズ（15）から構成され
る。回路基板（11）は例えばエポキシ樹脂等から成る。
図２に示すように、回路基板（11）の一方の主面（11
a）には複数本の帯状の接続用配線導体（16）と電極端
子（17）とが形成され、両者は連絡配線導体（17a）で
電気的に接続される。また、図３に示すように、回路基
板（11）の他方の主面（11b）にも接続用配線導体（1
8）が形成される。一方の主面（11a）側に形成された接
続用配線導体（16）は、回路基板（11）の一方の側面
（11c）から他方の側面（11d）の方向に向かう第１の方
向に延伸し、延伸方向の途中に複数の間欠領域（19）が
設けられる。

【０００７】チップ型発光ダイオード（12）は、図５に
示すように、発光素子基板（22）と、この一方の主面
（22a）に固着された半導体発光素子としての発光ダイ
オード素子（23）と、光透過性樹脂から成る角錐台形状
の発光素子レンズ（24）とを備える。発光素子基板（2
2）の一方の主面（22a）には互いに離間した２つの発光
素子配線導体（25、26）が形成され、一方の配線導体
（25）の主面には発光ダイオード素子（23）の裏面に形
成された電極が固着される。他方の配線導体（26）には
リード細線（27）を介して発光ダイオード素子（23）の
上面に形成された電極が電気的に接続される。図６に示
すように、発光素子基板（22）の長手方向の両端には切
り欠き部（28、29）が形成される。発光素子配線導体
（25、26）の一方端はそれぞれ切り欠き部（28）及び
（29）を通じて発光素子基板（22）の他方の主面まで延
伸する。発光素子基板（22）の他方の主面には互いに離
間した２つの接続電極（30、31）が形成され、それぞれ
一方又は他方の発光素子配線導体（25、26）の一方端に
繋がっている。発光素子レンズ（24）は周知のトランス
ファモールドで形成され、発光ダイオード素子（23）及
びリード細線（27）を封止する。図１及び図４に示すよ
うに、アウタレンズ（15）の反射壁（13）に対向しない
発光素子レンズ（24）の第１の側面（24a）は回路基板
（11）の一方の主面（11a）に対して第１の角度で傾斜
し、反射壁（13）に対向する発光素子レンズ（24）の第
２の側面（24b）は、回路基板（11）の一方の主面（11
a）に対して第１の角度よりも大きい第２の角度で傾斜
する。

【０００８】発光素子レンズ（24）のアウタレンズ（1
5）側の主面（以下、発光素子レンズの上面という）に
はインナレンズ（24d）が形成される。即ち、発光素子
レンズ（24）の上面の外縁に沿って平坦部（24e）が形
成され、平坦部（24e）の内側に環状の溝部（24f）が形
成され、溝部（24f）の内側にその底部から半球状に突
出する球面状のインナレンズ（24d）が設けられる。イ
ンナレンズ（24d）の頂部は平坦部（24e）とほぼ同一の
平面上に位置する。また、溝部（24f）は平坦部（24e）
の内縁からインナレンズ（24d）の底部へ傾斜する環状
の傾斜面（24g）を有する。傾斜面（24g）はインナレン
ズ（24d）の側部と対向する。平坦部（24e）は、チップ
型発光ダイオード（12）を回路基板（11）の一方の主面
（11a）上に実装する際に、吸着治具がチップ型発光ダ
イオード（12）を吸着するための面として作用する。ま
た、傾斜面（24g）を設けることにより、チップ型発光
ダイオード（12）の製造工程において、トランスファモ
ールド法等によって発光素子レンズ（24）を金型成形し
た後、発光素子レンズ（24）を金型から容易に離脱でき
る。さらに、発光素子（23）から放射されてインナレン
ズ（24d）の側部を通過する光の一部は、図５に示すよ
うに傾斜面（24g）において反射された結果、上方、即
ちアウタレンズ（15）側に光路Ａを変えるので、半導体
発光モジュールの高輝度化を図ることができる。

【０００９】図１及び図２に示すように、チップ型発光
ダイオード（12）は、回路基板（11）上の接続用配線導
体（16）に対してその間欠領域（19）を架橋するように
固着される。即ち、チップ型発光ダイオード（12）の一
方の接続電極（30）と他方の接続電極（31）は、それぞ
れ間欠領域（19）の一方の側の接続用配線導体（16）と
他方の側の接続用配線導体（16）に固着される。図１の
発光ダイオードモジュールでは、１本の接続用配線導体
（16）に間欠領域（19）に対応してそれぞれ４個のチッ
プ型発光ダイオードが固着されて互いに直列に電気的に
接続され、４本の接続用配線導体（16）に合計１６個の
チップ型発光ダイオード（12）が配設されている。この
実施形態では、外部リードを必要としないチップ型発光
ダイオード（12）を用いるためモジュール全体の小型化
・薄型化が可能となる。また、チップ型発光ダイオード
（12）にインナレンズ（24d）を形成することにより、
インナレンズ（24d）とアウタレンズ（15）との組み合
わせによって、適正な光指向性が実現されると共に、光
出力の増大が達成される。発光素子レンズ（24）の第２
の側面（24b）から導出された光はアウタレンズ（15）
の反射壁（13）によってレンズ部（33）側に向きを変え
られるので、発光ダイオード素子（23）から放出された
光を有効にモジュールの外部に導出できる点においても
光出力の増大を図ることができる。

【００１０】本発明によるアウタレンズ（15）は、複数
の半導体発光装置（12）を固着した回路基板（11）に取
り付けられ且つ複数の半導体発光装置（12）から照射さ
れる光の散乱を抑制する。アウタレンズ（15）は、例え
ばアクリル樹脂、ポリカーボネート若しくはアクリル・
グリコール・カーボネート樹脂（ＣＲ３９）等の樹脂又
はガラス等の透光性材料により板状に形成されたレンズ
本体（15c）を備えている。図４に示すように、アウタ
レンズ（15）の他方の主面（15b）は平面であり、さら
に反射壁（13）が一体に形成される。図７及び図８に示
すように、レンズ本体（15c）の一方の主面（15a）から
突出する複数のレンズ部（33）がレンズ本体（15c）に
一体に形成される。レンズ部（33）の個数は発光ダイオ
ード（12）の数と対応するのが好ましく、本実施形態で
はチップ型発光ダイオード（12）の個数と等しい１６個
のレンズ部（33）が設けられる。レンズ部（33）は、図
１に示すように、発光素子レンズ（24）の第１の側面
（24a）を介して光が通過する部分は曲率が大きく、図
４に示すように、発光素子レンズ（24）の第２の側面
（24b）を介して光が通過する部分は曲率が小さく形成
される。レンズ部（33）は、平面的に見て、図２に示す
第１の方向に長く、これに直交する第２の方向に短く形
成されている。第２の方向に長手に形成すると、反射壁
（13）で上方に偏位されにくい発光素子レンズ（24）の
第１の側面（24a）を介して導出される光を上方に導く
効果が損なわれるからである。詳細には、図１２〜図１
６に示すように、レンズ部（33）は非球面のほぼ半エッ
グ表面を有し、短軸（33a）及び長軸（33b）に沿う半径
の大きさ比が２：２.１〜２：５の範囲である。レンズ
部（33）の曲率は図１７のグラフに示す設計値に基づい
て決定することができる。例えば、レンズ部（33）の断
面は、長軸（33b）方向が曲率２.９mm、短軸（33a）方
向が曲率１.９mmである。各レンズ部（33）の接続面
は、長軸（33b）−短軸（33a）に対し４.５mm×３.０mm
までサイドカットした状態で連続して繋がっている。レ
ンズ本体（15c）の最小肉厚は０.５mmである。一般公差
は±０.１で、アウタレンズ（15）の一方の主面（15a）
及び他方の主面（15b）は鏡面仕上げ（５Ｓレベル）で
ある。

【００１１】本発明のアウタレンズ（15）では、レンズ
本体（15c）の他方の主面（15b）から突出し且つ回路基
板（11）に装着される第１及び第２の脚部（15d）が形
成される。図７〜図１１に示すように、この実施形態で
は、脚部（15d）はレンズ本体（15c）の両側に各２本、
合計４本設けられる。脚部（15d）の先端には爪部（15
e）が形成され、爪部（15e）は回路基板（11）に形成さ
れた開口部（61）に挿入され且つ開口部（61）の周壁
（62）に係止される。脚部（15d）の先端に形成された
爪部（15e）を回路基板（11）に形成された開口部（6
1）に挿入することにより、スナップ作用を利用してワ
ンタッチでアウタレンズ（15）を回路基板（11）に取り
付けることができる。また、図１及び図８に示すよう
に、レンズ本体（15c）の第２の脚部（15d）は湾曲形状
に形成される。アウタレンズ（15）の取り付けに際して
は、まず直線形状の第１の脚部（15d）を回路基板（1
1）の第１の開口部（61）に挿入して爪部（15e）を第１
の開口部（61）の周壁（62）に係止させ、この係止部分
としての第１の脚部（15d）の爪部（15e）を支点として
弧を描く要領で湾曲形状の第２の脚部（15d）を第２の
開口部（61）に挿入するため、脚部（15d）に過剰な応
力を加えることなく容易にアウタレンズ（15）を回路基
板（11）に取り付けることができる。回路基板（11）の
開口部（61）は両側に各２箇所、左右対称に形成され、
レンズ本体（15c）を１８０度回転した状態でも回路基
板（11）の開口部（61）に装着できる。さらに、脚部
（15d）の間に脚部（15d）と同一の向きに突出する突起
（15f）が設けられ、突起（15f）は回路基板（11）の孔
部（63）に装着され、レンズ本体（15c）を正確な位置
に保持する。従って、回路基板（11）の開口部（61）を
アウタレンズ（15）の脚部（15d）よりも大きく形成で
きるため、脚部（15d）を開口部（61）へ無理なく容易
に挿入できる。

【００１２】本実施形態のアウタレンズ（15）は、レン
ズ本体（15c）の他方の主面（15b）から突出する脚部
（15d）を回路基板（11）に装着できるため、外囲体が
不要で取り付け容易であり且つ半導体発光モジュールの
小型化・薄型化が可能となる。レンズ部（33）は非球面
のほぼ半エッグ表面を有し、短軸（33a）及び長軸（33
b）に沿う半径の大きさ比が２：２.１〜２：５の範囲で
あるため、正面光出力を大きく損なわずに且つ地上機の
矩形の通信エリアに要求された横長の指向特性を得るこ
とができる。また、レンズ本体（15c）の他方の主面（1
5b）に反射壁（13）を形成することにより発光効率の増
大が可能となる。

【００１３】本発明の実施形態による作用効果を列挙す
れば、次の通りである （1） 脚部の先端に形成された爪部を回路基板に形成
された開口部に挿入することにより、スナップ作用を利
用してワンタッチでアウタレンズを回路基板に取り付け
ることができ、組立が容易なモジュールを実現できる。 （2） 外部リードを必要としないチップ型発光ダイオ
ードを用いるため、モジュール全体の小型化・薄型化が
可能となる。 （3） アウタレンズが取り付けられているので、チッ
プ型発光ダイオードから放射された光を外部に良好に取
り出すことができ、発光効率及び光指向性を高めること
ができる。 （4） アウタレンズの一部から成る反射壁がチップ型
発光ダイオードの側面に配されるので、チップ型発光ダ
イオードの発光素子レンズから側方に放射された光をこ
の反射壁で上方に反射させ、アウタレンズから外部に取
り出せるので、この点でも発光効率の増大に有利であ
る。 （5） アウタレンズは回路基板へはめ込みによって取
り付けられ、且つアウタレンズの一部が反射壁を兼ねる
ので、取り付けが容易である。 （6） チップ型発光ダイオードの側面に配される反射
壁を有するので、発光効率の増大が図ることができる。

【００１４】

【実施例】回路基板（11）の一方の主面（11a）に図１
８の点線Ａ部分に相当する発光回路部を形成し、他方の
主面（11b）に図１８の点線Ｂ部分に相当するスイッチ
ング回路等の部分を形成する形態とすることにより、更
に小型化・高集積化が達成できる。図１８において、
（41）はＦＥＴ、（42）はトランジスタ、（43）はツェ
ナダイオード、（44）はコンデンサ、（45）は電解コン
デンサ、（46）はダイオード、（47）〜（49）は抵抗を
示す。

【００１５】

【発明の効果】前記の通り、本発明によれば、小型且つ
高輝度で、加えて最適な光指向性及び光出力の増大が達
成できる半導体発光モジュール用アウタレンズが得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による半導体発光モジュールの断面図

【図２】 図１のＡ−Ａ線断面図

【図３】 図１の底面図

【図４】 図２のＢ−Ｂ線断面図

【図５】 図１の半導体発光モジュールに適用される半
導体発光装置の断面図

【図６】 図５の平面図

【図７】 アウタレンズの平面図

【図８】 アウタレンズの正面図

【図９】 アウタレンズの底面図

【図１０】 アウタレンズの側面図

【図１１】 図８のＣ−Ｃ線断面図

【図１２】 図７の部分拡大図

【図１３】 図１２のＤ−Ｄ線断面図

【図１４】 図１２のＥ−Ｅ線断面図

【図１５】 図１２のＦ−Ｆ線断面図

【図１６】 図１２のＧ−Ｇ線断面図

【図１７】 レンズ部の曲率の設計値を示すグラフ

【図１８】 本発明の実施例を示す回路図

【図１９】 ＶＩＣＳにおける双方向光通信を示す概念
図

【図２０】 従来の半導体発光モジュールの断面図

【符号の説明】

（11）・・回路基板、 （12）・・発光ダイオード（半
導体発光装置）、 （13）・・反射壁、 （15）・・ア
ウタレンズ、 （15a）・・一方の主面、 （15b）・・
他方の主面、 （15c）・・レンズ本体、 （15d）・・
脚部、 （15e）・・爪部、 （15f）・・突起、 （3
3）・・レンズ部、 （33a）・・短軸、（33b）・・長
軸、 （61）・・開口部、 （62）・・周壁、 （63）
・・孔部、

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−231117（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−104488（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−148972（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−103802（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−181002（ＪＰ，Ａ) 実開 平７−7160（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−92504（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−38268（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00 G02B 3/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透光性材料により板状に形成されたレン
   ズ本体と、 該レンズ本体に一体に形成され且つ前記レンズ本体の一
   方の主面から突出する外面を有する複数のレンズ部と、 前記レンズ本体の他方の主面から突出して、複数の半導
   体発光装置を固着した回路基板の第１及び第２の開口部
   に挿入される第１及び第２の脚部と、 前記第１及び第２の脚部の各先端に形成され且つ前記第
   １及び第２の開口部の周壁に係止される爪部とを備え、 前記複数のレンズ部により前記複数の半導体発光装置か
   ら照射される光の散乱を抑制する半導体発光モジュール
   用アウタレンズにおいて、 前記第２の脚部は、湾曲形状に形成され、 前記第１の開口部の周壁に係止された前記第１の脚部の
   爪部を支点として、前記第２の脚部を弧状運動させて、
   前記回路基板の第２の開口部に挿入し、前記第２の脚部
   の爪部を前記第２の開口部の周壁に係止することを特徴
   とする半導体発光モジュール用アウタレンズ。
2. 【請求項２】 前記レンズ部は非球面のほぼ半エッグ表
   面を有し、短軸及び長軸に沿う半径の大きさ比が２：
   ２.１〜２：５の範囲である請求項１に記載の半導体発
   光モジュール用アウタレンズ。
3. 【請求項３】 前記レンズ本体の他方の主面に反射壁を
   形成した請求項１又は２に記載の半導体発光モジュール
   用アウタレンズ。
4. 【請求項４】 前記脚部の間に形成された突起は前記回
   路基板の孔部に装着され、前記レンズ本体を正確な位置
   に保持する請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体
   発光モジュール用アウタレンズ。