JP3791323B2 - 光素子用光学デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子から出射する光、またはフォトダイオードや光電変換素子などの受光素子へ入射する光を、効率よく利用できるようにした光素子用光学デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子チップを砲弾型形状にモールド樹脂で封止した発光デバイスが存在する。こういった発光素子においては、前方へ出射された光はそのまま出射されるが、斜め方向へ出射された光はモールド樹脂の界面で全反射されたり、ケースの内部で散乱されたりしてロスとなり、光の利用効率が悪いものがあった。
【０００３】
そのため本願出願人は、特願平１１−３４１３４４号において、図１１（Ａ）に断面図を示したように、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子チップ（以下発光素子と略称する）１を受け皿部２に載置してダイボンドしたリードフレーム３、ボンディングワイヤ４で発光素子１と接続された他方のリードフレーム５、その回りに設けられた光反射部材６などを有し、光出射側中央部に球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ形状をした直接出射領域７、及びこの直接出射領域７を囲むように平面状に全反射領域８を形成するようモールド樹脂９で封止した光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスを提案した。
【０００４】
この図１１に示した発光デバイスにおいて、発光素子１は直接出射領域７の凸レンズ状部の焦点、またはその近傍に置かれているため、発光素子１から出て直接出射領域７に向かった光はほぼ平行光化され、経路１０に示したように直接モールド樹脂９の前面から前方へ出射される。一方直接出射領域７と全反射領域８との境界方向と発光素子１の光軸とのなす角度αを、モールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角と等しいか、それよりも大きく設定してあるため、発光素子１から出射された光のうち、経路１１に示した全反射領域８に向かった光は、モールド樹脂９の空気との界面で全反射され、さらに光反射部材６で反射されてほぼ平行光となって全反射領域８から前方へ出射する。そのためこの発光デバイスにおいては、発光素子１から出た光のほとんどが有効光として直接出射領域７と全反射領域８とから出射され、非常に効率の良い発光デバイスを得ることができる。
【０００５】
また、前記特願平１１−３４１３４４号においては、このような光素子用光学デバイスを用い、図１２（Ａ）のように発光素子の代わりにフォトダイオードや光電変換素子などの受光素子を封止した受光デバイスも提案している。すなわちこの図１２において、６は光反射部材、２１は光入射側中央部に球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ形状として設けた直接入射領域、２２は入射した光を光反射部材６で反射した後、モールド樹脂９と空気との界面で全反射させてフォトダイオードや光電変換素子などの受光素子２０に導く全反射領域で、これらの部材をモールド樹脂９で封止してある。
【０００６】
フォトダイオードや光電変換素子などの受光素子は、例えばセンシング用であれば受光量が大きくなることによって感度が向上し、また光電変換素子では受光量が大きくなることによって発生する電気エネルギーが増加する。従って、これらの受光素子では、できるだけ受光面を大きくすることが望まれる。
【０００７】
入射光の強度が同じであれば、受光量を増加させる方法としてまず考えられることは、受光素子の面積を大きくすることである。しかし、受光素子のチップ面積を大きくする方法では、一枚の単結晶ウェハから得られるチップ数が少なくなるため大幅なコストアップにつながる。また、受光素子の前方にレンズを配置し、レンズに入射した光を受光素子に集光する方法もある。しかし、この方法では大きなレンズが必要になると共に、受光素子とレンズの距離の分だけ厚みがますので、受光デバイスが大型になるという問題があった。
【０００８】
しかしながら、図１２（Ａ）に示したような光素子用光学デバイスを用いると、直接入射領域２１に経路２３などで入射した光は、空気とモールド樹脂９との界面で屈折して受光素子２０に達し、一方、全反射領域２２に経路２４などで入射した光は、光反射部材６で反射された後、全反射領域２２で反射されて受光素子２０に達し、受光素子そのものの受光面は小さいにも関わらず大きな面積から入射した光を受光することができ、非常に効率の良い受光デバイスを構成することができる。
【０００９】
また、発光素子１や受光素子を封止せずに光反射部材６とモールド樹脂で直接出射領域７と全反射領域８を形成し、発光素子や受光素子と組み合わせる光素子用光学デバイスとすると、いろいろな素子と容易に組み合わせて効率の良い光素子を構成できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの図１１に示したような発光デバイスや、図１２に示したような受光デバイスにおいては、直接出射領域７と全反射領域８、または直接入射領域２１と全反射領域２２との境界方向と発光素子１や受光素子２０との光軸とのなす角度αを、モールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角と等しいか、それよりも大きく設定してあるため、図１１の発光デバイスにおいても図１２の受光デバイスにおいても、（Ｂ）に１２で示した領域からは光が出射しない、またはこの領域に入射した光は受光素子２０に達せず、発光面にドーナツ状に光っていない部分ができて発光状態にムラがあるように見えたり（図１１）、この領域に入射した経路２５の光は受光素子２０で受光されずに再び受光デバイス外に出射されてロスとなってしまう（図１２）。
【００１１】
またこの臨界角は、使用するモールド樹脂９によって一定であり、このモールド樹脂９の全反射領域８、または２２を光軸方向に大きくすることはできず、また直接出射領域７から出射される光、または直接入射領域２１に入射する光より、全反射領域８から出射される光、または全反射領域２２に入射する光の強度割合を大きくする、などということもできなかった。
【００１２】
上記事情に鑑み本発明においては、発光デバイスにおいては図１１（Ｂ）に１２で示したような光の出射しないところ、及び、図１２に示したような受光デバイスにおいては、受光素子で受光されずにロスしてしまう図１２（Ｂ）示したような領域１２をなくし、効率よく光を出射、若しくは受光できる光素子用光学デバイスを提供することが課題である。
【００１３】
また本発明においては、使用するモールド樹脂９によって定まる臨界角に左右されずに全反射領域８、または２２を、光軸方向に大きくすること、及び、直接出射領域７から出射される光、または直接入射領域２１に入射する光より、全反射領域８から出射される光、または全反射領域２２に入射する光の強度割合を大きくすることも課題である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明においては、全反射領域を形成する樹脂界面の大きさをそのままに、レンズ部をこの全反射領域に重なるように大きくするか、または逆に全反射領域を光軸側にレンズ部の下まで延長し、このレンズ部を大きくした部分、または全反射領域を延長した部分に空気との界面を持たせるか反射面を持たせて第２の光反射部材を形成し、この第２の光反射部材の光軸に最も近い側から反射した光が光反射部材で反射されて前方に出射したとき、レンズ部外径近傍を通過するようにして、光の出射しない部分、または受光素子で受光されずにロスしてしまう領域１２をなくすようにした。また、この第２の光反射部材を光軸方向に大きくし、光反射部材で反射させる面積を大きくすることでコリメート範囲を大きくしたり、光の出射特性を反射板の形状で制御できるようにすると共に、全反射領域８から出射される光、または全反射領域２２に入射する光の強度割合を大きくできるようにした。
【００１５】
これを実現するため本発明においては、請求項１に記載したように、発光素子と、前記発光素子を載置する受け皿部と、前記受け皿部の周囲に設置された光反射部材と、前記光反射部材の光反射面を覆うように前記光反射部材の上方に形成された全反射領域と、前記全反射領域よりも光軸付近に設けたレンズ部とからなる光素子用光学デバイスにおいて、前記発光素子は前記レンズ部の焦点近傍に位置するように前記受け皿部に載置されており、前記光反射部材は前記受け皿部と前記全反射領域の外周近傍を掛け渡すように設置されており、前記全反射領域は前記発光素子の光軸側に向かって、前記受け皿部に対して水平方向の前記レンズ部の最大外周よりも内側に延長しており、前記全反射領域の一部が前記レンズ部の下に位置し、前記発光素子から到達した光が前記全反射領域で全反射された後、前記光反射部材へ到達し、前記光反射部材で反射されてほぼ平行光となって前記全反射領域から出射されることを特徴とする光素子用光学デバイスを開示する。
【００１６】
そして請求項２に記載したように、受光用のデバイスとして、請求項１の発光用のデバイスとは基本的には同様であるが、受光素子と、前記受光素子を載置する受け皿部と、前記受け皿部の周囲に設置された光反射部材と、前記光反射部材の光反射面を覆うように前記光反射部材の上方に形成された全反射領域と、前記全反射領域よりも光軸付近に設けたレンズ部とからなる光素子用光学デバイスにおいて、前記受光素子は前記レンズ部の焦点近傍に位置するように前記受け皿部に載置されており、前記光反射部材は前記受け皿部と前記全反射領域の外周近傍を掛け渡すように設置されており、前記全反射領域は前記受光素子の光軸側に向かって、前記受け皿部に対して水平方向の前記レンズ部の最大外周よりも内側に延長しており、前記全反射領域の一部が前記レンズ部の下に位置し、前記全反射領域から入射した光が前記光反射部材で反射された後、さらに前記全反射領域で全反射された後、前記受光素子で受光されることを特徴とする光素子用光学デバイスを開示する。
【００１７】
上記のように構成された発光用、受光用の光素子用光学デバイスでは、全反射領域は発光素子の光軸側に向かって、受け皿部に対して水平方向の記レンズ部の最大外周よりも内側に延長しており、前記全反射領域の一部が前記レンズ部の下に位置するように構成されているために、従来技術である図１１に示すような、発光、受光のロスとなるドーナツ状の領域１２を除去することが可能となる。
【００１８】
さらに請求項３では、前記レンズ部の基部に外側から前記発光素子あるいは前記受光素子の光軸側に向かって切り込み部を設け、前記レンズ部の下に位置する前記全反射領域の一部が、空気との界面を形成していることを特徴とする上記発光用、受光用の光素子用光学デバイスを開示する。この構成では、レンズ部と発光用または受光用の光素子の距離が長くなるので、光素子の位置精度をそれほど高くしなくてもよく、またこのレンズ部から出射される配光特性をより狭指向角にできるという効果を有する。
【００１９】
さらに請求項４では、前記レンズ部と前記全反射領域の間に位置し、かつ、前記レンズ部の下部と前記全反射領域に接するように第２の光反射部材が形成されており、前記第２の光反射部材の外径が前記レンズ部の外径とほぼ一致することを特徴とする請求項１または２に記載の光素子用光学デバイスを開示する。この構成では、従来例と比較して全反射領域が広がり、発光、受光の効率が向上するという効果を有する。
【００２０】
さらに請求項５では、前記第２の光反射部材からなる光反射面をハーフミラー面としたことを特徴とする請求項４に記載の光素子用光学デバイスを開示する。この第２の光反射部材を用いることにより、さらに効率的な発光、受光の光経路の確保が可能となり、同時にドーナツ状の光の出射しない部分がなくなると共に、このハーフミラーで構成した第２の光反射面を透過した光により、樹脂界面から出射される光の境目がはっきりしなくなるので、発光デバイスを正面から見ても、発光状態にムラが無く、非常にきれいに見えるという効果を有する。また請求項６では、前記光反射部材の中央近辺に、発光素子を封止するか、または配置できるようにした。
【００２１】
上記のように発光用、受光用の光素子用光学デバイスを構成することで、単に発光、受光の効率が向上するのみならず、レンズ部と発光用または受光用の光素子の距離を従来の構成よりも長く確保することで、レンズ部に対する光素子の位置精度をそれほど高くしなくてもよいという製造上の利点を有することになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２３】
図１は、本発明における第１の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスの概略断面図であり、前記図１１で示した従来例と同一の構成要素には同一番号を付した。図中１は発光素子、２は発光素子１を載置してダイボンドする受け皿部、３はリードフレーム、４は発光素子１と他方のリードフレーム５を結ぶボンディングワイヤ、５は他方のリードフレーム、６は光反射部材、７は直接出射領域、８は全反射領域、９はこれら発光素子１やリードフレーム３、５、光反射部材６等を覆う第１のモールド樹脂、３０は直接出射領域７に、球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ状で、かつ、前記図１１（Ｂ）に光の出射しない領域として示した１２の部分を覆う大きさとして形成したレンズ部、３１、３２、３３は光の経路、３４はレンズ部３０に形成したレンズの切れ込み部である。
【００２４】
このうち切れ込み部３４は、レンズ部３０の基部、すなわちレンズ部３０と全反射領域８の境界部分が発光素子１の光軸とのなす角度αを、モールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角と等しいか、または大きくなるように設定し、かつ、全反射領域８を形成しているモールド樹脂９が空気と接するようにしてある。
【００２５】
この図１に示した発光デバイスにおいて、発光素子１は、直接出射領域７に形成したレンズ３０の焦点、またはその近傍に置かれているため、発光素子１から出て経路３２へ向かった光は、直接出射領域７に形成したレンズ部３０のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて直接出射領域７から出射する。一方、発光素子１から出て経路３３の全反射領域８に向かった光は、モールド樹脂９の空気との界面で全反射され、さらに光反射部材６で反射されてほぼ平行光となって全反射領域８から前方へ出射する。
【００２６】
そして、全反射領域８とレンズ部３０の境界近辺、すなわち発光素子１を出て光軸からαの角度近くで全反射領域８に向かった光は、全反射領域８、光反射部材６で反射されてほぼ平行光となって全反射領域８から出射するとき、直接出射領域７に構成したレンズ部３０の端を通り、前記図１１（Ｂ）に１２で示した光の出射しない部分がなくなる。そのため、この図１に示した発光デバイスを正面から見ても、発光状態にムラが無く、非常にきれいに見える。また、直接出射領域７に形成したレンズ部３０と発光素子１の距離が長くなるので、発光素子１の位置精度をそれほど高くしなくてもよく、さらにこのレンズ部３０から出射される配光特性をより狭指向角にできる。
【００２７】
図２は、本発明における第２の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスの概略断面図で、図１に示した第１の実施形態におけるレンズ部３０の切れ込み部３４を無くして第２の光反射部材を設け、成形しやすくしたもので、前記図１と同一の構成要素には同一番号を付した。
【００２８】
図中１は発光素子、２は発光素子１を載置してダイボンドする受け皿部、３はリードフレーム、４は発光素子１と他方のリードフレーム５を結ぶボンディングワイヤ、５は他方のリードフレーム、６は光反射部材、７は直接出射領域、８は全反射領域、９はこれら発光素子１やリードフレーム３、５、光反射部材６等を覆う第１のモールド樹脂、３５、３６、３７は光の経路、３８は直接出射領域７に、球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ状で、かつ、前記図１１（Ｂ）に光の出射しない領域として示した１２の部分を覆う大きさとして形成したレンズ部、３９はレンズ部３８と全反射領域８の間に形成した第２の光反射部材である。
【００２９】
このうち第２の光反射部材３９は、前記図１１（Ｂ）に光の出射しない領域として示した１２の部分を覆う大きさのドーナツ状とし、外径をレンズ部３８の外径とほぼ一致させ、内径と発光素子１の光軸とのなす角度αを、モールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角とほぼ等しくなる位置となるよう設定してある。
【００３０】
このように光素子用光学デバイスを構成することにより、発光素子１から出て経路３６へ向かった光は、直接出射領域７に形成したレンズ部３８のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて直接出射領域７から出射し、一方、発光素子１から出て経路３７の全反射領域８に向かった光は、第２の光反射部材３９で反射され、さらに光反射部材６で反射されてほぼ平行光となって全反射領域８から前方へ出射する。
【００３１】
そして、この第２の光反射部材３９における光軸に近い方の境界部、すなわち発光素子１を出て光軸からαの角度近くで全反射領域８に向かった光は、全反射領域８、光反射部材６で反射されてほぼ平行光となって全反射領域８から出射するとき、直接出射領域７に構成したレンズ部３８の端を通り、前記図１１（Ｂ）に１２で示した光の出射しない部分がなくなる。そのため、この図２に示した発光デバイスを正面から見ても、発光状態にムラが無く、非常にきれいに見える。また、直接出射領域７に形成したレンズ部３０と発光素子１の距離が長くなるので、発光素子１の位置精度をそれほど高くしなくてもよく、さらにこのレンズ部３０から出射される配光特性をより狭指向角にできる。また、図１に示した第１の実施形態に較べ、レンズの切れ込み部３４が無くなるので一体成形が一回ででき、図１１に示す従来品と較べても生産コストをほぼ同じに製作できる。
【００３２】
図３は、図２に示した第２の実施形態における光素子用光学デバイスの作成手順を説明するための図である。まず図３ａにおいて、モールド樹脂９の界面とレンズ部３８を形成する樹脂型４０を用意し、第２の光反射部材３９，光反射部材６、リードフレーム３にダイボンドされた発光素子１、その発光素子１と他のリードフレーム５を接続したボンディングワイヤ４等を挿入し、位置決めする。そして図３ｂにおいて、モールド樹脂９を注入し、熱硬化させる。そして図３ｃにおいて、樹脂型４０から取り出すことで、図３ｄに示した図２における第２の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスが完成する。
【００３３】
なおこの図３に示した作成手順においては、第２の光反射部材３９を位置決めしやすいように、図３ａにｘで示したように樹脂型４０に段差を設け、樹脂界面とレンズ部３８の間に存在する第２の光反射部材３９が、図３ｄに示したようにｘだけはみ出すようにしている。このようにして図２に示した光素子用光学デバイスを作成することで、一体成形が一回ででき、図１１に示す従来品と較べても生産コストをほぼ同じに製作できる。
【００３４】
図４は、本発明における第３の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスの概略断面図で、図２に示した第２の実施形態における第２の光反射部材３９をハーフミラーにしたものであり、それによって樹脂界面から出射される光の境目を目立たなくするようにした。この図４において、前記図２と同一の構成要素には同一番号を付した。
【００３５】
図中１は発光素子、２は発光素子１を載置してダイボンドする受け皿部、３はリードフレーム、４は発光素子１と他方のリードフレーム５を結ぶボンディングワイヤ、５は他方のリードフレーム、６は光反射部材、７は直接出射領域、８は全反射領域、９はこれら発光素子１やリードフレーム３、５、光反射部材６等を覆う第１のモールド樹脂、３５、３６、４１、４２、４３は光の経路、３８は直接出射領域７に形成したレンズ部で、このレンズ部３８は前記したように球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ状に形成したものである。４４はレンズ部３８と全反射領域８の間にハーフミラーで形成した第２の光反射部材である。
【００３６】
このうち第２の光反射部材４４は、前記図１１（Ｂ）に光の出射しない領域として示した１２の部分を覆う大きさのドーナツ状とし、外径をレンズ部３８の外径とほぼ一致させ、内径と発光素子１の光軸とのなす角度αを、モールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角とほぼ等しくなる位置となるよう設定してある。
【００３７】
このように光素子用光学デバイスを構成することにより、発光素子１から出て経路３６へ向かった光は、直接出射領域７に形成したレンズ部３８のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて直接出射領域７から出射し、一方、発光素子１から出て経路４１のハーフミラーで構成された第２の光反射部材４４に向かった光は、この第２の光反射部材４４で一部が透過して経路４２へ進み、レンズ部３８のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて直接出射領域７から出射し、一部が反射されてさらに光反射部材６で反射され、ほぼ平行光となって直接出射領域７に構成したレンズ部３８の端を通って前方へ出射する。
【００３８】
そのため、前記図１１（Ｂ）に１２で示した光の出射しない部分がなくなると共に、このハーフミラーで構成した第２の光反射部材４４を透過した経路４２のような光により、樹脂界面から出射される光の境目がはっきりしなくなるので、この図４に示した発光デバイスを正面から見ても、発光状態にムラが無く、非常にきれいに見える。また、直接出射領域７に形成したレンズ部と発光素子１の距離が長くなるので、発光素子１の位置精度をそれほど高くしなくてもよく、さらにこのレンズ部から出射される配光特性をより狭指向角にできる点、図１に示した第１の実施形態に較べ、レンズの切れ込み部３４が無くなるので一体成形が一回ででき、図１１に示す従来品と較べても生産コストをほぼ同じに製作できる点などは第２の実施形態の効果と同じである。
【００３９】
図５は、本発明における第４の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスの概略断面図であり、この第４の実施形態においては、第２の光反射部材の外径部分と発光素子１の光軸とのなす角度αをモールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角近辺とし、使用するモールド樹脂９によって定まる臨界角に左右されずに全反射領域８を光軸方向に大きくすると共に、直接出射領域７から出射される光より、全反射領域８から出射される光の強度割合を大きくできるようにしたものある。
【００４０】
図中１は発光素子、２は発光素子１を載置してダイボンドする受け皿部、３はリードフレーム、４は発光素子１と他方のリードフレーム５を結ぶボンディングワイヤ、５は他方のリードフレーム、６は光反射部材、７は直接出射領域、８は全反射領域、９はこれら発光素子１やリードフレーム３、５、光反射部材６等を覆う第１のモールド樹脂、３５、３６、４５、４６は光の経路、３８は直接出射領域７に形成したレンズ部で、このレンズ部３８は前記したように球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ状に形成したものである。４７はレンズ部３８と全反射領域８の間に形成した第２の光反射部材であるが、この第４の実施形態において、第２の光反射部材４７は、今まで説明してきた第１から第３の実施形態の場合とは異なり、直接出射領域７に形成したレンズ部３８と、全反射領域８との境界方向と発光素子１の光軸とのなす角度αより光軸側、すなわちモールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角より小さな部分に設けてある。
【００４１】
このように光素子用光学デバイスを構成することにより、発光素子１から出て経路３６へ向かった光は、直接出射領域７に形成したレンズ部３８のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて直接出射領域７から出射し、一方、以上説明してきた第１から第３の実施形態においては全反射せずに直接出射領域７に向かっていた臨界角より小さな角度でモールド樹脂９の界面方向の経路４５へ向かう光は、第２の光反射部材４７で反射され、光反射部材６で反射されて全反射領域８から出射する。また、発光素子１から出て経路４６に向かった光は、前記の説明のように全反射領域８で反射されて光反射部材６で反射され、全反射領域８から前方へ出射する。
【００４２】
そのため、前記図１１（Ｂ）に１２で示した光の出射しない部分がなくなると共に、モールド樹脂９と空気による界面の臨界角より小さな角度で全反射領域８へ進む光も光反射部材６で制御でき、コリメート光を出射したい場合は光反射部材６で制御した方が有効であるので効果が大きい。そのため、この図５に示した発光デバイスを正面から見ても発光状態にムラが無く、非常にきれいに見える。また、直接出射領域７に形成したレンズ部と発光素子１の距離が長くなるので、発光素子１の位置精度をそれほど高くなくてもよく、さらにこのレンズ部から出射される配光特性をより狭指向角にできる点、図１に示した第１の実施形態に較べ、レンズの切れ込み部３４が無くなるので一体成形が一回ででき、図１１に示す従来品と較べても生産コストをほぼ同じに製作できる点などは第２、第３の実施形態の効果と同じである。
【００４３】
以上説明してきた実施形態においては、発光素子１をモールド樹脂９で封止する場合を説明してきたが、本発明はこういった一体型に成形するだけでなく、光反射部材とレンズ部を光学デバイスとして独立した発光素子や受光素子と組み合わせて使うことも可能である。この場合の実施形態を示したのが図６から図１０に示した実施形態で、図６は第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと表面実装タイプ発光素子を組み合わせたもの、図７は図６に用いた光素子用光学デバイスを単独で示したもの、図８は砲弾タイプの発光デバイスと組み合わせた場合の例を示したもの、図９は第１の実施形態で示した光素子用光学デバイスと受光素子を組み合わせたもの、図１０は第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと受光素子を組み合わせたものである。この図６から図１０において、前記図１から図５と同様な構成要素には同一番号を付した。
【００４４】
図中６は光反射部材、７は直接出射領域、８は全反射領域、９はモールド樹脂、３５、３６、３７は光の経路、３８はレンズ部、３９は第２の光反射部材、５０は表面実装タイプ発光素子、５１は砲弾型発光素子、５２は発光素子、５３は直接入射領域、５４は全反射領域、５５、５６は受光素子である。
【００４５】
まず図６は、第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと表面実装タイプ発光素子５０を組み合わせたもので、図７は図６に用いた光素子用光学デバイスを単独で示したものである。このように、発光素子５０を図７に示した本発明の第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと組み合わせることにより、直接出射領域７に向かった経路３６の光は、直接出射領域７に形成したレンズ部３８のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて出射し、経路３７の全反射領域８に向かった光は、第２の光反射部材３９で反射され、さらに光反射部材６で反射されてほぼ平行光となってレンズ部３８の端を通り、前記図１１（Ｂ）に１２で示した光の出射しない部分がなくなる。そのため、この図６の光素子用光学デバイスの正面側から見ても、発光状態にムラが無く、非常にきれいに見える。
【００４６】
また、従来はほぼ点光源として各出射方向に向かっていた光は、この光素子用光学デバイス前面の全域から出射し、大面積の発光素子として使用することが可能となる。さらに、本発明の光素子用光学デバイスの発光素子５０を装着する部分を半球状にすると、本光素子用光学デバイスを被せることによる光損失も、発光素子５０を出た光が光素子用光学デバイスに入射して出射したときのフレネル損、および光反射部材６のわずかな反射損のみであり、発光素子５０を出た光の９０％が光素子用光学デバイスの外部に出射できる。
【００４７】
図８は、第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと砲弾タイプの発光デバイス５１と組み合わせた場合の例を示したもので、砲弾タイプの発光素子では、所定外の領域に配光していた光を本発明の光素子用光学デバイスに再度取り込むことが可能となり、光の利用率が向上して明るい配光が可能となり、また、光の出射方向も自由に設計が可能となる。
【００４８】
また、本発明の光素子用光学デバイスを砲弾タイプの発光デバイス５１と近接して装着することが可能となるため、レンズを用いて同様の効果を得ようとした場合より空間的に小さくすることができ、また、光素子用光学デバイスに入射する光の損失も押さえることができる。また、光素子用光学デバイスを図８のように作ることで、砲弾タイプの発光デバイス５１の装着時における位置決めがし易く、取り外しも簡単にでき、従来の指向角の発光デバイスと、本発明の光素子用光学デバイスと組み合わせた場合の２種類の配光特性を利用することができる。また、本発明の光素子用光学デバイスに砲弾タイプの発光デバイス５１を装着したときにできる空気層を、樹脂などによって封止すると、フレネル損などによる光の損失を低減することができる。
【００４９】
なお以上の説明では、光素子用光学デバイスとして図２に示した第２の実施形態のものを組み合わせる場合を説明したが、図１に示した第１の実施形態のもの、図４、図５に示した第３、第４の実施形態のものと組み合わせると、前記それぞれの実施形態の説明に記載した効果が得られることは自明である。また、組み合わせる発光素子も、ベアチップタイプの発光デバイス、放熱タイプの発光デバイス、フラットパッケージタイプの発光デバイスなど、種々のものと組み合わせることが可能である。
【００５０】
図９は、第１の実施形態で示した光素子用光学デバイスとフォトダイオードや光電変換素子などの受光素子５６と組み合わせて封止した例を示したもので、このように構成することで、前方からレンズ部３０に入射した光はこのレンズ部３０で屈折して受光素子５６へ、全反射領域５４に入射した光は光反射部材６で反射され、さらに全反射領域５４で反射されて受光素子５６に達するから、非常に広い範囲からの光を受光素子５６へ到達させることができ、無駄なく光を受光させることができる。また、レンズ部３０と受光素子５６の距離が長くなるので、受光素子５６の設置精度をそれほど高くしなくても良くなる。
【００５１】
図１０は第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスとフォトダイオードや光電変換素子などの受光素子５５を組み合わせたものである。このように構成することで、前方からレンズ部３８に入射した光はこのレンズ部３８で屈折して受光素子５５へ、全反射領域５４に入射した光は光反射部材６で反射され、さらに全反射領域５４、または第２の光反射部材３９で反射されて受光素子５６に達するから、非常に広い範囲からの光を受光素子５６へ到達させることができ、無駄なく光を受光させることができる。また、レンズ部３０と受光素子５６の距離が長くなるので、受光素子５６の設置精度をそれほど高くしなくても良くなる。また、レンズ部３８から入射する光と、光反射部材６で反射されてから受光素子５５に到達する光の強度割合を自由に変化させることができ、また図９に示した実施形態に較べ、レンズの切れ込み部が無くなるので一体成形が一回ででき、生産コストを低く押さえることができる。
【００５２】
また、以上の説明では、光素子用光学デバイスとして図１、図２に示した第１、第２の実施形態のものを組み合わせる場合を説明したが、図４、図５に示した第３、第４の実施形態のものと組み合わせると、前記それぞれの実施形態の説明に記載した効果が得られることは自明である。
【００５３】
また本願出願人は、従来例として示した特願平１１−３４１３４４号以外に、特願２０００−２８３３０号、特願２０００−７３０５８号、特願２０００−７４９７６号、特願２０００−８９８５９号などにおいて、本発明のような光素子用光学デバイスを用いた光学デバイス例を示したが、本発明の光素子用光学デバイスをこれらに示された光素子用光学デバイスの代わりに用いうることも明らかである。
【００５４】
【発明の効果】
以上記載の如く請求項１、請求項２に記載した本発明によれば、全反射領域は発光素子または受光素子の光軸側に向かって、受け皿部に対して水平方向の前記レンズ部の最大外周よりも内側に延長しており、前記全反射領域の一部が前記レンズ部の下に位置するように構成されているために、従来技術である図１１に示すような、発光、受光のロスとなるドーナツ状の領域１２を除去することが可能となる。
【００５５】
さらに請求項３では、レンズ部と発光用または受光用の光素子の距離が長くなるので、光素子の位置精度をそれほど高くしなくてもよく、またこのレンズ部から出射あるいはレンズ部へ入射される配光特性をより狭指向角にできるという効果を有する。さらに請求項４、請求項５では、第２の光反射部材を用いることにより、さらに効率的な発光、受光の光経路の確保が可能となり、同時にドーナツ状の光の出射あるいは入射しない部分がなくなると共に、このハーフミラーで構成した第２の光反射面を透過した光により、樹脂界面から出射あるいは入射される光の境目がはっきりしなくなるので、発光あるいは受光デバイスを正面から見ても、発光あるいは受光状態にムラが無く、非常にきれいに見えるという効果を有する。また請求項６では、前記光反射部材の中央近辺に、発光素子を封止するか、または配置できるようにした。
【００５６】
上記のように発光用、受光用の光素子用光学デバイスを構成することで、単に発光、受光の効率が向上するのみならず、レンズ部と発光用または受光用の光素子の距離を従来の構成よりも長く確保することで、レンズ部に対する光素子の位置精度をそれほど高くしなくてもよいという製造上の利点を有することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における第１の実施形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図２】 本発明における第２の実施形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図３】 本発明における第２の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスの成形方法を説明するための図である。
【図４】 本発明における第３の実施形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図５】 本発明における第４の実施形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図６】 本発明における第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと表面実装タイプ発光素子を組み合わせた場合の概略断面図である。
【図７】 本発明における第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスを単独で示した概略断面図である。
【図８】 本発明における第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと砲弾タイプ発光素子を組み合わせた場合の概略断面図である。
【図９】 本発明における第１の実施形態で示した光素子用光学デバイスと受光素子を組み合わせた場合の概略断面図である。
【図１０】 本発明における第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと受光素子を組み合わせた場合の概略断面図である。
【図１１】 従来の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイス説明するための図である。
【図１２】 従来の光素子用光学デバイスを用いた受光デバイス説明するための図である。
【符号の説明】
１ 発光素子
２ 受け皿部
３ リードフレーム
４ ボンディングワイヤ
５ 他方のリードフレーム
６ 光反射部材
７ 直接出射領域
８ 全反射領域
９ モールド樹脂
３５、３６、３７ 光の経路
３８ レンズ部
３９ 第２の光反射部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子から出射する光、またはフォトダイオードや光電変換素子などの受光素子へ入射する光を、効率よく利用できるようにした光素子用光学デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子チップを砲弾型形状にモールド樹脂で封止した発光デバイスが存在する。こういった発光素子においては、前方へ出射された光はそのまま出射されるが、斜め方向へ出射された光はモールド樹脂の界面で全反射されたり、ケースの内部で散乱されたりしてロスとなり、光の利用効率が悪いものがあった。
【０００３】
そのため本願出願人は、特願平１１−３４１３４４号において、図１１（Ａ）に断面図を示したように、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子チップ（以下発光素子と略称する）１を受け皿部２に載置してダイボンドしたリードフレーム３、ボンディングワイヤ４で発光素子１と接続された他方のリードフレーム５、その回りに設けられた光反射部材６などを有し、光出射側中央部に球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ形状をした直接出射領域７、及びこの直接出射領域７を囲むように平面状に全反射領域８を形成するようモールド樹脂９で封止した光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスを提案した。
【０００４】
この図１１に示した発光デバイスにおいて、発光素子１は直接出射領域７の凸レンズ状部の焦点、またはその近傍に置かれているため、発光素子１から出て直接出射領域７に向かった光はほぼ平行光化され、経路１０に示したように直接モールド樹脂９の前面から前方へ出射される。一方直接出射領域７と全反射領域８との境界方向と発光素子１の光軸とのなす角度αを、モールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角と等しいか、それよりも大きく設定してあるため、発光素子１から出射された光のうち、経路１１に示した全反射領域８に向かった光は、モールド樹脂９の空気との界面で全反射され、さらに光反射部材６で反射されてほぼ平行光となって全反射領域８から前方へ出射する。そのためこの発光デバイスにおいては、発光素子１から出た光のほとんどが有効光として直接出射領域７と全反射領域８とから出射され、非常に効率の良い発光デバイスを得ることができる。
【０００５】
また、前記特願平１１−３４１３４４号においては、このような光素子用光学デバイスを用い、図１２（Ａ）のように発光素子の代わりにフォトダイオードや光電変換素子などの受光素子を封止した受光デバイスも提案している。すなわちこの図１２において、６は光反射部材、２１は光入射側中央部に球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ形状として設けた直接入射領域、２２は入射した光を光反射部材６で反射した後、モールド樹脂９と空気との界面で全反射させてフォトダイオードや光電変換素子などの受光素子２０に導く全反射領域で、これらの部材をモールド樹脂９で封止してある。
【０００６】
フォトダイオードや光電変換素子などの受光素子は、例えばセンシング用であれば受光量が大きくなることによって感度が向上し、また光電変換素子では受光量が大きくなることによって発生する電気エネルギーが増加する。従って、これらの受光素子では、できるだけ受光面を大きくすることが望まれる。
【０００７】
入射光の強度が同じであれば、受光量を増加させる方法としてまず考えられることは、受光素子の面積を大きくすることである。しかし、受光素子のチップ面積を大きくする方法では、一枚の単結晶ウェハから得られるチップ数が少なくなるため大幅なコストアップにつながる。また、受光素子の前方にレンズを配置し、レンズに入射した光を受光素子に集光する方法もある。しかし、この方法では大きなレンズが必要になると共に、受光素子とレンズの距離の分だけ厚みがますので、受光デバイスが大型になるという問題があった。
【０００８】
しかしながら、図１２（Ａ）に示したような光素子用光学デバイスを用いると、直接入射領域２１に経路２３などで入射した光は、空気とモールド樹脂９との界面で屈折して受光素子２０に達し、一方、全反射領域２２に経路２４などで入射した光は、光反射部材６で反射された後、全反射領域２２で反射されて受光素子２０に達し、受光素子そのものの受光面は小さいにも関わらず大きな面積から入射した光を受光することができ、非常に効率の良い受光デバイスを構成することができる。
【０００９】
また、発光素子１や受光素子を封止せずに光反射部材６とモールド樹脂で直接出射領域７と全反射領域８を形成し、発光素子や受光素子と組み合わせる光素子用光学デバイスとすると、いろいろな素子と容易に組み合わせて効率の良い光素子を構成できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの図１１に示したような発光デバイスや、図１２に示したような受光デバイスにおいては、直接出射領域７と全反射領域８、または直接入射領域２１と全反射領域２２との境界方向と発光素子１や受光素子２０との光軸とのなす角度αを、モールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角と等しいか、それよりも大きく設定してあるため、図１１の発光デバイスにおいても図１２の受光デバイスにおいても、（Ｂ）に１２で示した領域からは光が出射しない、またはこの領域に入射した光は受光素子２０に達せず、発光面にドーナツ状に光っていない部分ができて発光状態にムラがあるように見えたり（図１１）、この領域に入射した経路２５の光は受光素子２０で受光されずに再び受光デバイス外に出射されてロスとなってしまう（図１２）。
【００１１】
またこの臨界角は、使用するモールド樹脂９によって一定であり、このモールド樹脂９の全反射領域８、または２２を光軸方向に大きくすることはできず、また直接出射領域７から出射される光、または直接入射領域２１に入射する光より、全反射領域８から出射される光、または全反射領域２２に入射する光の強度割合を大きくする、などということもできなかった。
【００１２】
上記事情に鑑み本発明においては、発光デバイスにおいては図１１（Ｂ）に１２で示したような光の出射しないところ、及び、図１２に示したような受光デバイスにおいては、受光素子で受光されずにロスしてしまう図１２（Ｂ）示したような領域１２をなくし、効率よく光を出射、若しくは受光できる光素子用光学デバイスを提供することが課題である。
【００１３】
また本発明においては、使用するモールド樹脂９によって定まる臨界角に左右されずに全反射領域８、または２２を、光軸方向に大きくすること、及び、直接出射領域７から出射される光、または直接入射領域２１に入射する光より、全反射領域８から出射される光、または全反射領域２２に入射する光の強度割合を大きくすることも課題である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明においては、全反射領域を形成する樹脂界面の大きさをそのままに、レンズ部をこの全反射領域に重なるように大きくするか、または逆に全反射領域を光軸側にレンズ部の下まで延長し、このレンズ部を大きくした部分、または全反射領域を延長した部分に空気との界面を持たせるか反射面を持たせて第２の光反射部材を形成し、この第２の光反射部材の光軸に最も近い側から反射した光が光反射部材で反射されて前方に出射したとき、レンズ部外径近傍を通過するようにして、光の出射しない部分、または受光素子で受光されずにロスしてしまう領域１２をなくすようにした。また、この第２の光反射部材を光軸方向に大きくし、光反射部材で反射させる面積を大きくすることでコリメート範囲を大きくしたり、光の出射特性を反射板の形状で制御できるようにすると共に、全反射領域８から出射される光、または全反射領域２２に入射する光の強度割合を大きくできるようにした。
【００１５】
これを実現するため本発明においては、請求項１に記載したように、発光素子と、前記発光素子を載置する受け皿部と、前記受け皿部の周囲に設置された光反射部材と、前記光反射部材の光反射面を覆うように前記光反射部材の上方に形成された全反射領域と、前記全反射領域よりも光軸付近に設けたレンズ部とからなる光素子用光学デバイスにおいて、前記発光素子は前記レンズ部の焦点近傍に位置するように前記受け皿部に載置されており、前記光反射部材は前記受け皿部と前記全反射領域の外周近傍を掛け渡すように設置されており、前記全反射領域は前記発光素子の光軸側に向かって、前記受け皿部に対して水平方向の前記レンズ部の最大外周よりも内側に延長しており、前記全反射領域の一部が前記レンズ部の下に位置し、前記発光素子から到達した光が前記全反射領域で全反射された後、前記光反射部材へ到達し、前記光反射部材で反射されてほぼ平行光となって前記全反射領域から出射されることを特徴とする光素子用光学デバイスを開示する。
【００１６】
そして請求項２に記載したように、受光用のデバイスとして、請求項１の発光用のデバイスとは基本的には同様であるが、受光素子と、前記受光素子を載置する受け皿部と、前記受け皿部の周囲に設置された光反射部材と、前記光反射部材の光反射面を覆うように前記光反射部材の上方に形成された全反射領域と、前記全反射領域よりも光軸付近に設けたレンズ部とからなる光素子用光学デバイスにおいて、前記受光素子は前記レンズ部の焦点近傍に位置するように前記受け皿部に載置されており、前記光反射部材は前記受け皿部と前記全反射領域の外周近傍を掛け渡すように設置されており、前記全反射領域は前記受光素子の光軸側に向かって、前記受け皿部に対して水平方向の前記レンズ部の最大外周よりも内側に延長しており、前記全反射領域の一部が前記レンズ部の下に位置し、前記全反射領域から入射した光が前記光反射部材で反射された後、さらに前記全反射領域で全反射された後、前記受光素子で受光されることを特徴とする光素子用光学デバイスを開示する。
【００１７】
上記のように構成された発光用、受光用の光素子用光学デバイスでは、全反射領域は発光素子の光軸側に向かって、受け皿部に対して水平方向の記レンズ部の最大外周よりも内側に延長しており、前記全反射領域の一部が前記レンズ部の下に位置するように構成されているために、従来技術である図１１に示すような、発光、受光のロスとなるドーナツ状の領域１２を除去することが可能となる。
【００１８】
さらに請求項３では、前記レンズ部の基部に外側から前記発光素子あるいは前記受光素子の光軸側に向かって切り込み部を設け、前記レンズ部の下に位置する前記全反射領域の一部が、空気との界面を形成していることを特徴とする上記発光用、受光用の光素子用光学デバイスを開示する。この構成では、レンズ部と発光用または受光用の光素子の距離が長くなるので、光素子の位置精度をそれほど高くしなくてもよく、またこのレンズ部から出射される配光特性をより狭指向角にできるという効果を有する。
【００１９】
さらに請求項４では、前記レンズ部と前記全反射領域の間に位置し、かつ、前記レンズ部の下部と前記全反射領域に接するように第２の光反射部材が形成されており、前記第２の光反射部材の外径が前記レンズ部の外径とほぼ一致することを特徴とする請求項１または２に記載の光素子用光学デバイスを開示する。この構成では、従来例と比較して全反射領域が広がり、発光、受光の効率が向上するという効果を有する。
【００２０】
さらに請求項５では、前記第２の光反射部材からなる光反射面をハーフミラー面としたことを特徴とする請求項４に記載の光素子用光学デバイスを開示する。この第２の光反射部材を用いることにより、さらに効率的な発光、受光の光経路の確保が可能となり、同時にドーナツ状の光の出射しない部分がなくなると共に、このハーフミラーで構成した第２の光反射面を透過した光により、樹脂界面から出射される光の境目がはっきりしなくなるので、発光デバイスを正面から見ても、発光状態にムラが無く、非常にきれいに見えるという効果を有する。また請求項６では、前記光反射部材の中央近辺に、発光素子を封止するか、または配置できるようにした。
【００２１】
上記のように発光用、受光用の光素子用光学デバイスを構成することで、単に発光、受光の効率が向上するのみならず、レンズ部と発光用または受光用の光素子の距離を従来の構成よりも長く確保することで、レンズ部に対する光素子の位置精度をそれほど高くしなくてもよいという製造上の利点を有することになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２３】
図１は、本発明における第１の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスの概略断面図であり、前記図１１で示した従来例と同一の構成要素には同一番号を付した。図中１は発光素子、２は発光素子１を載置してダイボンドする受け皿部、３はリードフレーム、４は発光素子１と他方のリードフレーム５を結ぶボンディングワイヤ、５は他方のリードフレーム、６は光反射部材、７は直接出射領域、８は全反射領域、９はこれら発光素子１やリードフレーム３、５、光反射部材６等を覆う第１のモールド樹脂、３０は直接出射領域７に、球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ状で、かつ、前記図１１（Ｂ）に光の出射しない領域として示した１２の部分を覆う大きさとして形成したレンズ部、３１、３２、３３は光の経路、３４はレンズ部３０に形成したレンズの切れ込み部である。
【００２４】
このうち切れ込み部３４は、レンズ部３０の基部、すなわちレンズ部３０と全反射領域８の境界部分が発光素子１の光軸とのなす角度αを、モールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角と等しいか、または大きくなるように設定し、かつ、全反射領域８を形成しているモールド樹脂９が空気と接するようにしてある。
【００２５】
この図１に示した発光デバイスにおいて、発光素子１は、直接出射領域７に形成したレンズ３０の焦点、またはその近傍に置かれているため、発光素子１から出て経路３２へ向かった光は、直接出射領域７に形成したレンズ部３０のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて直接出射領域７から出射する。一方、発光素子１から出て経路３３の全反射領域８に向かった光は、モールド樹脂９の空気との界面で全反射され、さらに光反射部材６で反射されてほぼ平行光となって全反射領域８から前方へ出射する。
【００２６】
そして、全反射領域８とレンズ部３０の境界近辺、すなわち発光素子１を出て光軸からαの角度近くで全反射領域８に向かった光は、全反射領域８、光反射部材６で反射されてほぼ平行光となって全反射領域８から出射するとき、直接出射領域７に構成したレンズ部３０の端を通り、前記図１１（Ｂ）に１２で示した光の出射しない部分がなくなる。そのため、この図１に示した発光デバイスを正面から見ても、発光状態にムラが無く、非常にきれいに見える。また、直接出射領域７に形成したレンズ部３０と発光素子１の距離が長くなるので、発光素子１の位置精度をそれほど高くしなくてもよく、さらにこのレンズ部３０から出射される配光特性をより狭指向角にできる。
【００２７】
図２は、本発明における第２の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスの概略断面図で、図１に示した第１の実施形態におけるレンズ部３０の切れ込み部３４を無くして第２の光反射部材を設け、成形しやすくしたもので、前記図１と同一の構成要素には同一番号を付した。
【００２８】
図中１は発光素子、２は発光素子１を載置してダイボンドする受け皿部、３はリードフレーム、４は発光素子１と他方のリードフレーム５を結ぶボンディングワイヤ、５は他方のリードフレーム、６は光反射部材、７は直接出射領域、８は全反射領域、９はこれら発光素子１やリードフレーム３、５、光反射部材６等を覆う第１のモールド樹脂、３５、３６、３７は光の経路、３８は直接出射領域７に、球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ状で、かつ、前記図１１（Ｂ）に光の出射しない領域として示した１２の部分を覆う大きさとして形成したレンズ部、３９はレンズ部３８と全反射領域８の間に形成した第２の光反射部材である。
【００２９】
このうち第２の光反射部材３９は、前記図１１（Ｂ）に光の出射しない領域として示した１２の部分を覆う大きさのドーナツ状とし、外径をレンズ部３８の外径とほぼ一致させ、内径と発光素子１の光軸とのなす角度αを、モールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角とほぼ等しくなる位置となるよう設定してある。
【００３０】
このように光素子用光学デバイスを構成することにより、発光素子１から出て経路３６へ向かった光は、直接出射領域７に形成したレンズ部３８のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて直接出射領域７から出射し、一方、発光素子１から出て経路３７の全反射領域８に向かった光は、第２の光反射部材３９で反射され、さらに光反射部材６で反射されてほぼ平行光となって全反射領域８から前方へ出射する。
【００３１】
そして、この第２の光反射部材３９における光軸に近い方の境界部、すなわち発光素子１を出て光軸からαの角度近くで全反射領域８に向かった光は、全反射領域８、光反射部材６で反射されてほぼ平行光となって全反射領域８から出射するとき、直接出射領域７に構成したレンズ部３８の端を通り、前記図１１（Ｂ）に１２で示した光の出射しない部分がなくなる。そのため、この図２に示した発光デバイスを正面から見ても、発光状態にムラが無く、非常にきれいに見える。また、直接出射領域７に形成したレンズ部３０と発光素子１の距離が長くなるので、発光素子１の位置精度をそれほど高くしなくてもよく、さらにこのレンズ部３０から出射される配光特性をより狭指向角にできる。また、図１に示した第１の実施形態に較べ、レンズの切れ込み部３４が無くなるので一体成形が一回ででき、図１１に示す従来品と較べても生産コストをほぼ同じに製作できる。
【００３２】
図３は、図２に示した第２の実施形態における光素子用光学デバイスの作成手順を説明するための図である。まず図３ａにおいて、モールド樹脂９の界面とレンズ部３８を形成する樹脂型４０を用意し、第２の光反射部材３９，光反射部材６、リードフレーム３にダイボンドされた発光素子１、その発光素子１と他のリードフレーム５を接続したボンディングワイヤ４等を挿入し、位置決めする。そして図３ｂにおいて、モールド樹脂９を注入し、熱硬化させる。そして図３ｃにおいて、樹脂型４０から取り出すことで、図３ｄに示した図２における第２の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスが完成する。
【００３３】
なおこの図３に示した作成手順においては、第２の光反射部材３９を位置決めしやすいように、図３ａにｘで示したように樹脂型４０に段差を設け、樹脂界面とレンズ部３８の間に存在する第２の光反射部材３９が、図３ｄに示したようにｘだけはみ出すようにしている。このようにして図２に示した光素子用光学デバイスを作成することで、一体成形が一回ででき、図１１に示す従来品と較べても生産コストをほぼ同じに製作できる。
【００３４】
図４は、本発明における第３の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスの概略断面図で、図２に示した第２の実施形態における第２の光反射部材３９をハーフミラーにしたものであり、それによって樹脂界面から出射される光の境目を目立たなくするようにした。この図４において、前記図２と同一の構成要素には同一番号を付した。
【００３５】
図中１は発光素子、２は発光素子１を載置してダイボンドする受け皿部、３はリードフレーム、４は発光素子１と他方のリードフレーム５を結ぶボンディングワイヤ、５は他方のリードフレーム、６は光反射部材、７は直接出射領域、８は全反射領域、９はこれら発光素子１やリードフレーム３、５、光反射部材６等を覆う第１のモールド樹脂、３５、３６、４１、４２、４３は光の経路、３８は直接出射領域７に形成したレンズ部で、このレンズ部３８は前記したように球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ状に形成したものである。４４はレンズ部３８と全反射領域８の間にハーフミラーで形成した第２の光反射部材である。
【００３６】
このうち第２の光反射部材４４は、前記図１１（Ｂ）に光の出射しない領域として示した１２の部分を覆う大きさのドーナツ状とし、外径をレンズ部３８の外径とほぼ一致させ、内径と発光素子１の光軸とのなす角度αを、モールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角とほぼ等しくなる位置となるよう設定してある。
【００３７】
このように光素子用光学デバイスを構成することにより、発光素子１から出て経路３６へ向かった光は、直接出射領域７に形成したレンズ部３８のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて直接出射領域７から出射し、一方、発光素子１から出て経路４１のハーフミラーで構成された第２の光反射部材４４に向かった光は、この第２の光反射部材４４で一部が透過して経路４２へ進み、レンズ部３８のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて直接出射領域７から出射し、一部が反射されてさらに光反射部材６で反射され、ほぼ平行光となって直接出射領域７に構成したレンズ部３８の端を通って前方へ出射する。
【００３８】
そのため、前記図１１（Ｂ）に１２で示した光の出射しない部分がなくなると共に、このハーフミラーで構成した第２の光反射部材４４を透過した経路４２のような光により、樹脂界面から出射される光の境目がはっきりしなくなるので、この図４に示した発光デバイスを正面から見ても、発光状態にムラが無く、非常にきれいに見える。また、直接出射領域７に形成したレンズ部と発光素子１の距離が長くなるので、発光素子１の位置精度をそれほど高くしなくてもよく、さらにこのレンズ部から出射される配光特性をより狭指向角にできる点、図１に示した第１の実施形態に較べ、レンズの切れ込み部３４が無くなるので一体成形が一回ででき、図１１に示す従来品と較べても生産コストをほぼ同じに製作できる点などは第２の実施形態の効果と同じである。
【００３９】
図５は、本発明における第４の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスの概略断面図であり、この第４の実施形態においては、第２の光反射部材の外径部分と発光素子１の光軸とのなす角度αをモールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角近辺とし、使用するモールド樹脂９によって定まる臨界角に左右されずに全反射領域８を光軸方向に大きくすると共に、直接出射領域７から出射される光より、全反射領域８から出射される光の強度割合を大きくできるようにしたものある。
【００４０】
図中１は発光素子、２は発光素子１を載置してダイボンドする受け皿部、３はリードフレーム、４は発光素子１と他方のリードフレーム５を結ぶボンディングワイヤ、５は他方のリードフレーム、６は光反射部材、７は直接出射領域、８は全反射領域、９はこれら発光素子１やリードフレーム３、５、光反射部材６等を覆う第１のモールド樹脂、３５、３６、４５、４６は光の経路、３８は直接出射領域７に形成したレンズ部で、このレンズ部３８は前記したように球面レンズ状、非球面レンズ状、放物面状などの凸レンズ状に形成したものである。４７はレンズ部３８と全反射領域８の間に形成した第２の光反射部材であるが、この第４の実施形態において、第２の光反射部材４７は、今まで説明してきた第１から第３の実施形態の場合とは異なり、直接出射領域７に形成したレンズ部３８と、全反射領域８との境界方向と発光素子１の光軸とのなす角度αより光軸側、すなわちモールド樹脂９と空気との間の全反射の臨界角より小さな部分に設けてある。
【００４１】
このように光素子用光学デバイスを構成することにより、発光素子１から出て経路３６へ向かった光は、直接出射領域７に形成したレンズ部３８のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて直接出射領域７から出射し、一方、以上説明してきた第１から第３の実施形態においては全反射せずに直接出射領域７に向かっていた臨界角より小さな角度でモールド樹脂９の界面方向の経路４５へ向かう光は、第２の光反射部材４７で反射され、光反射部材６で反射されて全反射領域８から出射する。また、発光素子１から出て経路４６に向かった光は、前記の説明のように全反射領域８で反射されて光反射部材６で反射され、全反射領域８から前方へ出射する。
【００４２】
そのため、前記図１１（Ｂ）に１２で示した光の出射しない部分がなくなると共に、モールド樹脂９と空気による界面の臨界角より小さな角度で全反射領域８へ進む光も光反射部材６で制御でき、コリメート光を出射したい場合は光反射部材６で制御した方が有効であるので効果が大きい。そのため、この図５に示した発光デバイスを正面から見ても発光状態にムラが無く、非常にきれいに見える。また、直接出射領域７に形成したレンズ部と発光素子１の距離が長くなるので、発光素子１の位置精度をそれほど高くなくてもよく、さらにこのレンズ部から出射される配光特性をより狭指向角にできる点、図１に示した第１の実施形態に較べ、レンズの切れ込み部３４が無くなるので一体成形が一回ででき、図１１に示す従来品と較べても生産コストをほぼ同じに製作できる点などは第２、第３の実施形態の効果と同じである。
【００４３】
以上説明してきた実施形態においては、発光素子１をモールド樹脂９で封止する場合を説明してきたが、本発明はこういった一体型に成形するだけでなく、光反射部材とレンズ部を光学デバイスとして独立した発光素子や受光素子と組み合わせて使うことも可能である。この場合の実施形態を示したのが図６から図１０に示した実施形態で、図６は第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと表面実装タイプ発光素子を組み合わせたもの、図７は図６に用いた光素子用光学デバイスを単独で示したもの、図８は砲弾タイプの発光デバイスと組み合わせた場合の例を示したもの、図９は第１の実施形態で示した光素子用光学デバイスと受光素子を組み合わせたもの、図１０は第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと受光素子を組み合わせたものである。この図６から図１０において、前記図１から図５と同様な構成要素には同一番号を付した。
【００４４】
図中６は光反射部材、７は直接出射領域、８は全反射領域、９はモールド樹脂、３５、３６、３７は光の経路、３８はレンズ部、３９は第２の光反射部材、５０は表面実装タイプ発光素子、５１は砲弾型発光素子、５２は発光素子、５３は直接入射領域、５４は全反射領域、５５、５６は受光素子である。
【００４５】
まず図６は、第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと表面実装タイプ発光素子５０を組み合わせたもので、図７は図６に用いた光素子用光学デバイスを単独で示したものである。このように、発光素子５０を図７に示した本発明の第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと組み合わせることにより、直接出射領域７に向かった経路３６の光は、直接出射領域７に形成したレンズ部３８のモールド樹脂９と空気の界面で屈折してほぼ平行光化されて出射し、経路３７の全反射領域８に向かった光は、第２の光反射部材３９で反射され、さらに光反射部材６で反射されてほぼ平行光となってレンズ部３８の端を通り、前記図１１（Ｂ）に１２で示した光の出射しない部分がなくなる。そのため、この図６の光素子用光学デバイスの正面側から見ても、発光状態にムラが無く、非常にきれいに見える。
【００４６】
また、従来はほぼ点光源として各出射方向に向かっていた光は、この光素子用光学デバイス前面の全域から出射し、大面積の発光素子として使用することが可能となる。さらに、本発明の光素子用光学デバイスの発光素子５０を装着する部分を半球状にすると、本光素子用光学デバイスを被せることによる光損失も、発光素子５０を出た光が光素子用光学デバイスに入射して出射したときのフレネル損、および光反射部材６のわずかな反射損のみであり、発光素子５０を出た光の９０％が光素子用光学デバイスの外部に出射できる。
【００４７】
図８は、第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと砲弾タイプの発光デバイス５１と組み合わせた場合の例を示したもので、砲弾タイプの発光素子では、所定外の領域に配光していた光を本発明の光素子用光学デバイスに再度取り込むことが可能となり、光の利用率が向上して明るい配光が可能となり、また、光の出射方向も自由に設計が可能となる。
【００４８】
また、本発明の光素子用光学デバイスを砲弾タイプの発光デバイス５１と近接して装着することが可能となるため、レンズを用いて同様の効果を得ようとした場合より空間的に小さくすることができ、また、光素子用光学デバイスに入射する光の損失も押さえることができる。また、光素子用光学デバイスを図８のように作ることで、砲弾タイプの発光デバイス５１の装着時における位置決めがし易く、取り外しも簡単にでき、従来の指向角の発光デバイスと、本発明の光素子用光学デバイスと組み合わせた場合の２種類の配光特性を利用することができる。また、本発明の光素子用光学デバイスに砲弾タイプの発光デバイス５１を装着したときにできる空気層を、樹脂などによって封止すると、フレネル損などによる光の損失を低減することができる。
【００４９】
なお以上の説明では、光素子用光学デバイスとして図２に示した第２の実施形態のものを組み合わせる場合を説明したが、図１に示した第１の実施形態のもの、図４、図５に示した第３、第４の実施形態のものと組み合わせると、前記それぞれの実施形態の説明に記載した効果が得られることは自明である。また、組み合わせる発光素子も、ベアチップタイプの発光デバイス、放熱タイプの発光デバイス、フラットパッケージタイプの発光デバイスなど、種々のものと組み合わせることが可能である。
【００５０】
図９は、第１の実施形態で示した光素子用光学デバイスとフォトダイオードや光電変換素子などの受光素子５６と組み合わせて封止した例を示したもので、このように構成することで、前方からレンズ部３０に入射した光はこのレンズ部３０で屈折して受光素子５６へ、全反射領域５４に入射した光は光反射部材６で反射され、さらに全反射領域５４で反射されて受光素子５６に達するから、非常に広い範囲からの光を受光素子５６へ到達させることができ、無駄なく光を受光させることができる。また、レンズ部３０と受光素子５６の距離が長くなるので、受光素子５６の設置精度をそれほど高くしなくても良くなる。
【００５１】
図１０は第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスとフォトダイオードや光電変換素子などの受光素子５５を組み合わせたものである。このように構成することで、前方からレンズ部３８に入射した光はこのレンズ部３８で屈折して受光素子５５へ、全反射領域５４に入射した光は光反射部材６で反射され、さらに全反射領域５４、または第２の光反射部材３９で反射されて受光素子５６に達するから、非常に広い範囲からの光を受光素子５６へ到達させることができ、無駄なく光を受光させることができる。また、レンズ部３０と受光素子５６の距離が長くなるので、受光素子５６の設置精度をそれほど高くしなくても良くなる。また、レンズ部３８から入射する光と、光反射部材６で反射されてから受光素子５５に到達する光の強度割合を自由に変化させることができ、また図９に示した実施形態に較べ、レンズの切れ込み部が無くなるので一体成形が一回ででき、生産コストを低く押さえることができる。
【００５２】
また、以上の説明では、光素子用光学デバイスとして図１、図２に示した第１、第２の実施形態のものを組み合わせる場合を説明したが、図４、図５に示した第３、第４の実施形態のものと組み合わせると、前記それぞれの実施形態の説明に記載した効果が得られることは自明である。
【００５３】
また本願出願人は、従来例として示した特願平１１−３４１３４４号以外に、特願２０００−２８３３０号、特願２０００−７３０５８号、特願２０００−７４９７６号、特願２０００−８９８５９号などにおいて、本発明のような光素子用光学デバイスを用いた光学デバイス例を示したが、本発明の光素子用光学デバイスをこれらに示された光素子用光学デバイスの代わりに用いうることも明らかである。
【００５４】
【発明の効果】
以上記載の如く請求項１、請求項２に記載した本発明によれば、全反射領域は発光素子または受光素子の光軸側に向かって、受け皿部に対して水平方向の前記レンズ部の最大外周よりも内側に延長しており、前記全反射領域の一部が前記レンズ部の下に位置するように構成されているために、従来技術である図１１に示すような、発光、受光のロスとなるドーナツ状の領域１２を除去することが可能となる。
【００５５】
さらに請求項３では、レンズ部と発光用または受光用の光素子の距離が長くなるので、光素子の位置精度をそれほど高くしなくてもよく、またこのレンズ部から出射あるいはレンズ部へ入射される配光特性をより狭指向角にできるという効果を有する。さらに請求項４、請求項５では、第２の光反射部材を用いることにより、さらに効率的な発光、受光の光経路の確保が可能となり、同時にドーナツ状の光の出射あるいは入射しない部分がなくなると共に、このハーフミラーで構成した第２の光反射面を透過した光により、樹脂界面から出射あるいは入射される光の境目がはっきりしなくなるので、発光あるいは受光デバイスを正面から見ても、発光あるいは受光状態にムラが無く、非常にきれいに見えるという効果を有する。また請求項６では、前記光反射部材の中央近辺に、発光素子を封止するか、または配置できるようにした。
【００５６】
上記のように発光用、受光用の光素子用光学デバイスを構成することで、単に発光、受光の効率が向上するのみならず、レンズ部と発光用または受光用の光素子の距離を従来の構成よりも長く確保することで、レンズ部に対する光素子の位置精度をそれほど高くしなくてもよいという製造上の利点を有することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における第１の実施形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図２】 本発明における第２の実施形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図３】 本発明における第２の実施形態の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイスの成形方法を説明するための図である。
【図４】 本発明における第３の実施形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図５】 本発明における第４の実施形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図６】 本発明における第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと表面実装タイプ発光素子を組み合わせた場合の概略断面図である。
【図７】 本発明における第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスを単独で示した概略断面図である。
【図８】 本発明における第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと砲弾タイプ発光素子を組み合わせた場合の概略断面図である。
【図９】 本発明における第１の実施形態で示した光素子用光学デバイスと受光素子を組み合わせた場合の概略断面図である。
【図１０】 本発明における第２の実施形態で示した光素子用光学デバイスと受光素子を組み合わせた場合の概略断面図である。
【図１１】 従来の光素子用光学デバイスを用いた発光デバイス説明するための図である。
【図１２】 従来の光素子用光学デバイスを用いた受光デバイス説明するための図である。
【符号の説明】
１ 発光素子
２ 受け皿部
３ リードフレーム
４ ボンディングワイヤ
５ 他方のリードフレーム
６ 光反射部材
７ 直接出射領域
８ 全反射領域
９ モールド樹脂
３５、３６、３７ 光の経路
３８ レンズ部
３９ 第２の光反射部材
Claims (6)
- 発光素子と、
前記発光素子を載置する受け皿部と、
前記受け皿部の周囲に設置された光反射部材と、
前記光反射部材の光反射面を覆うように前記光反射部材の上方に形成された全反射領域と、
前記全反射領域よりも光軸付近に設けたレンズ部とからなる光素子用光学デバイスにおいて、
前記発光素子は前記レンズ部の焦点近傍に位置するように前記受け皿部に載置されており、
前記光反射部材は前記受け皿部と前記全反射領域の外周近傍を掛け渡すように設置されており、
前記全反射領域は前記発光素子の光軸側に向かって、前記受け皿部に対して水平方向の前記レンズ部の最大外周よりも内側に延長しており、
前記全反射領域の一部が前記レンズ部の下に位置し、
前記発光素子から到達した光が前記全反射領域で全反射された後、前記光反射部材へ到達し、前記光反射部材で反射されてほぼ平行光となって前記全反射領域から出射される
ことを特徴とする光素子用光学デバイス。 - 受光素子と、
前記受光素子を載置する受け皿部と、
前記受け皿部の周囲に設置された光反射部材と、
前記光反射部材の光反射面を覆うように前記光反射部材の上方に形成された全反射領域と、
前記全反射領域よりも光軸付近に設けたレンズ部とからなる光素子用光学デバイスにおいて、
前記受光素子は前記レンズ部の焦点近傍に位置するように前記受け皿部に載置されており、
前記光反射部材は前記受け皿部と前記全反射領域の外周近傍を掛け渡すように設置されており、
前記全反射領域は前記受光素子の光軸側に向かって、前記受け皿部に対して水平方向の前記レンズ部の最大外周よりも内側に延長しており、
前記全反射領域の一部が前記レンズ部の下に位置し、
前記全反射領域から入射した光が前記光反射部材で反射された後、さらに前記全反射領域で全反射された後、前記受光素子で受光される
ことを特徴とする光素子用光学デバイス。 - 前記レンズ部の基部に外側から前記発光素子あるいは前記受光素子の光軸側に向かって切り込み部を設け、
前記レンズ部の下に位置する前記全反射領域の一部が、空気との界面を形成している、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光素子用光学デバイス。 - 前記レンズ部と前記全反射領域の間に位置し、かつ、前記レンズ部の下部と前記全反射領域に接するように第２の光反射部材が形成されており、
前記第２の光反射部材の外径が前記レンズ部の外径とほぼ一致する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光素子用光学デバイス。 - 前記第２の光反射部材からなる光反射面をハーフミラー面としたことを特徴とする請求項４に記載の光素子用光学デバイス。
- 前記光反射部材の中央近辺に、発光素子を封止するか、または配置できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載した光素子用光学デバイス。
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| JP2002134794A (ja) | 2002-05-10 |
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