JP4038757B2 - 光素子用光学デバイス及び当該光素子用光学デバイスを用いた機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、凹の曲面を有した光反射部材と、該光反射部材の少なくとも凹部を封止する樹脂とからなり、前記光反射部材の中央近辺に発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子チップ、もしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子、あるいはフォトダイオードなどの受光素子チップ、もしくは前記受光素子チップをモールド樹脂中に封止した受光素子モジュールからなる受光素子を封止するかまたは配置できるようにした形態の光素子用光学デバイスにおける樹脂の薄肉部のクラックを防止する構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードなどの発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールでは、発光素子チップから前方へ出射された光はそのまま発光素子モジュールから出射されるが、発光素子チップから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、ケースの内面で散乱されたりしてロスとなり、光利用効率が低くなる。
【０００３】
このため斜め方向に出射された光も効率よく取り出せるようにした発光素子モジュールとして、図２６に示すような発光素子モジュールが提案されている。図２６において、１０１は発光素子チップ、１０２は透明ガラス基板、１０３及び１０４はリードフレーム、１０５はボンディングワイヤ、１０６は反射部材、１０８は光透過性樹脂からなるモールド樹脂である。リードフレーム１０３及び１０４は透明ガラス基板１０２の背面に設けられており、発光素子チップ１０１はリードフレーム１０３の背面に実装され、リードフレーム１０４との間をボンディングワイヤ１０５によって接続されている。反射部材１０６の反射面１０７は複数の平板領域によって多面体状に形成されている。
【０００４】
この発光素子モジュールにおいては、発光素子チップ１０１から背面側へ向けて光を出射させ、背面側へ出射された光を反射面１０７によって反射させてモールド樹脂１０８及び透明ガラス基板１０２を通して前方へ出射させるようにしている。特に、発光素子チップ１０１から斜め方向に出射された光も、反射面１０７で反射された後、モールド樹脂１０８及び透明ガラス基板１０２を通して前方へ出射されるので、光利用効率が向上する。なお、発光素子チップ１０１の代わりにフォトダイオードなどの受光素子チップを配置し、前方から入射してきた光を受光素子チップに受光させるよう構成すると、効率のよい受光素子モジュールが構成できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような発光素子モジュールでは、反射部材で反射された光が前方へ出射される際、発光素子チップやリードフレームに遮られてこれらの影が生じ、最も光量が得られるはずの光軸中心付近の光を効率よく利用することができない。
さらに、発光素子モジュールから出射された光の指向特性において光軸中心付近が暗くなるので、表示用の光源としては見た目が悪く、視覚的な不具合が生じていた。
また、温度変化の激しい場所での使用においては、光反射部材とモールド樹脂の熱膨張係数の違いから、光反射部材とモールド樹脂の界面近傍に応力が集中し、モールド樹脂にクラックが入るという問題があった。
【０００６】
上述の事情に鑑み本発明は、発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子、あるいは受光素子チップもしくは前記受光素子をモールド樹脂中に封止した受光素子等に用いるべく、発光素子あるいは受光素子を封止するかまたは配置できるようにした形態の光素子用光学デバイスや、光素子用光学デバイスを用いた機器において、所望の指向特性を備え、かつクラックの発生防止機能を備えた光素子用光学デバイスや、光素子用光学デバイスを用いた機器の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる光素子用光学デバイスは、光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光素子用光学デバイスであって、
光を反射させる光反射部材と、
前記光反射部材の少なくとも光反射面を覆う樹脂部材とからなり、
前記樹脂部材は、前記光素子前方の所定領域を外れた光をほぼ全反射させる樹脂界面を備え、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記樹脂界面、あるいは前記光反射部材の配置が定められ、
前記光反射部材の少なくとも一部に、前記樹脂部材より硬度の小さい緩衝材が設けられており、
前記緩衝材が設けられた箇所において、前記光反射部材は前記緩衝材を介して前記樹脂部材と接しており、
前記緩衝材の厚みは１００μｍ以下であることを特徴とする。
なお、前記樹脂部材は、前記光素子前方の所定領域に達した光を出射あるいは集光するレンズ部を備えてもよい。
【０００８】
また、前記緩衝材は、前記光反射部材と樹脂との熱的収縮、または膨張により発生する応力の集中部に設けてもよいし、前記光反射部材の少なくとも光反射側に設けても良い。
【０００９】
このように構成することで、光利用効率が高い光素子用光学デバイスが実現でき、さらに光反射部材とモールド樹脂の熱膨張計数の違いにより生じる応力を緩衝材で逃がし、クラックの発生を防止するようにしたから、クラックの発生で光が前方に出射、もしくは入射されなくなるのを防止でき、また、水蒸気やガスにより、光反射部材や光素子が錆びたり劣化したりして信頼性が低下するという不具合が防止できる。
【００１０】
そして前記緩衝材は、硬度の低い軟質層、または気体、または流体層、または収縮によってできた空洞層であることが好ましい。また前記緩衝材の硬度は、ＪＩＳＫ６２４９で規定される硬度において、５０以下であることが好ましい。
【００１１】
緩衝材をこのようにすることで、光反射部材とモールド樹脂の熱膨張計数の違いにより生じる応力を確実に逃がすことができる。
【００１２】
そしてこの緩衝材は、一様、または一様に準じる厚みを有することが好ましく、また、前記緩衝材の厚みは、好ましくは３０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
緩衝材をこのように構成することで、モールド樹脂と緩衝材の屈折率の違いによる光の出射方向の偏差を最小にすることができ、さらに中心効率や指向角を最適として、組み立て時のバラツキなどにも耐えられる光素子用光学デバイスを提供することができる。
【００１４】
本発明にかかる光素子用光学デバイスアレイは、前記光素子用光学デバイスを複数個配列させたことを特徴とする。このような光素子用光学デバイスアレイは、薄型でかつ大面積の発光装置や、前面から入射してきた光を効率よく受ける受光装置に用いることができる。
【００１５】
本発明にかかる光学装置は、前記光素子用光学デバイスアレイと、光素子を備え、前記光素子は、前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように定められた位置に配置されたことを特徴とする。
この光学装置によれば、光素子に発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子を用いて薄型でかつ大面積の発光装置を形成したり、光素子に受光素子チップもしくは前記受光素子チップをモールド樹脂中に封止した受光素子を用いて前面から入射してきた光を効率よく受ける受光装置を形成したりすることができる。
【００１６】
本発明にかかる別の光学装置は、光素子と、前記光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光素子用光学デバイスと、を備えた光学装置であって、
前記光素子用光学デバイスは、光を反射させる光反射部材と、前記光反射部材の少なくとも光反射面を覆う樹脂部材とからなり、
前記樹脂部材は、前記光素子前方の所定領域を外れた光をほぼ全反射させる樹脂界面を備え、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記樹脂界面、あるいは前記光反射部材の配置が定められ、
前記光反射部材の少なくとも一部に、前記樹脂部材より硬度の小さい緩衝材が設けられており、
前記緩衝材が設けられた箇所において、前記光反射部材は前記緩衝材を介して前記樹脂部材と接しており、
前記緩衝材の厚みは１００μｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
なお、前記光素子は、発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子としてもよい。
このような光学装置によれば、光利用効率が高く、かつ光反射部材とモールド樹脂の熱膨張計数の違いによるクラックの発生を防止した発光デバイスを形成することができる。
【００１８】
前記樹脂界面は、前記発光素子から出射される第１の光が全反射される前記樹脂界面上の全反射点と、前記発光素子から出射され前記全反射点よりも前記発光素子に近い前記樹脂界面上の点で全反射される第２の光が前記光反射部材で反射されて外部に出射される際に前記樹脂界面を通過する通過点とが、同一である領域を有するように構成してもよい。
このように樹脂界面を定めることによって、樹脂界面に別の反射部材を設ける必要がなく、またそのような別の反射部材によって光の出射を妨げられることもなく、簡単な構造で光利用効率を高めることができる。
【００１９】
なお、前記光素子は、受光素子チップもしくは前記受光素子チップをモールド樹脂中に封止した受光素子としてもよい。
このような光学装置によれば、光利用効率が高く、かつ光反射部材とモールド樹脂の熱膨張計数の違いによるクラックの発生を防止した受光デバイスを形成することができる。
【００２０】
そして、前記光学装置は、外部から前記樹脂界面に入射され前記光反射部材で反射した第１の光が前記樹脂界面の全反射点にて全反射されて前記受光素子に入射する光経路と、外部から前記全反射点を通過して前記樹脂界面に入射され前記光反射部材で反射した第２の光が前記樹脂界面にて前記全反射位置より前記受光素子に近い点で全反射されて前記受光素子に入射される光経路とを有するように前記樹脂界面を設けても良い。
このように樹脂界面を設けることによって、樹脂界面に別の反射部材を設ける必要がなく、またそのような別の反射部材によって光の入射を妨げられることもなく、簡単な構造で光利用効率を高めることができる。
【００２１】
そして、前記光素子は、前記光反射部材の焦点となる位置に対して、前記樹脂界面を介して鏡像となる位置の近傍に配置されてもよい。このような光学装置は、ほぼ並行光を出射する発光デバイスや、ほぼ並行光を受光する受光デバイスに用いることができる。
【００２２】
本発明にかかる光素子用光学デバイスの製造方法は、
光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光素子用光学デバイスの製造方法であって、
光反射部材に緩衝材を配置する工程と、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、樹脂部材の界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記光反射部材を前記樹脂部材で覆う工程と、
を有し、
前記緩衝材の厚みを１００μｍ以下にすることを特徴とする。
この光素子用光学デバイスの製造方法によれば、光利用効率を高める位置関係に樹脂部材の界面と光反射部材の位置関係を定められると共に、緩衝材を容易に樹脂部材と光反射部材の境界に配置することができる。
【００２３】
本発明にかかる光学装置の製造方法は、
光素子を内部に備え、前記光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光学装置の製造方法であって、
光反射部材に緩衝材を配置する工程と、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光学装置の外部とを結ぶ光経路が、樹脂部材の界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように、前記光素子と前記光反射部材を前記樹脂部材で覆う工程と、を有し、
前記緩衝材の厚みを１００μｍ以下にすることを特徴とする。
この光素子用光学デバイスの製造方法によれば、光利用効率を高める位置関係に光素子と、樹脂部材の界面と、光反射部材の位置関係を定められると共に、緩衝材を容易に樹脂部材と光反射部材の境界に配置することができる。
【００２５】
本発明にかかる光学機器は、
発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子を複数個有し、
前記発光素子から外部に至る出射光の光路を制御する光素子用光学デバイスを複数個備えた光学機器において、
光を反射させる光反射部材と、前記光反射部材の少なくとも光反射面を覆う樹脂部材とからなり、
前記樹脂部材は、前記発光素子前方の所定領域を外れた光をほぼ全反射させる樹脂界面を備え、
前記発光素子前方の所定領域を外れた光の、前記発光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記樹脂界面、あるいは前記光反射部材の配置が定められ、
前記光反射部材の少なくとも一部に、前記樹脂部材より硬度の小さい緩衝材が設けられており、
前記緩衝材が設けられた箇所において、前記光反射部材は前記緩衝材を介して前記樹脂部材と接しており、
前記緩衝材の厚みは１００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２６】
このような光学機器で構成されるディスプレイ装置は、寒暖の差が激しい屋外などでもクラックの発生を防止できるので、高い発光効率と、高い信頼性を得ることができる。
また、このような光学機器で構成される車載用ランプ光源は、温度環境が厳しい条件においても、高い発光効率と、高い信頼性を維持することができる。
さらに、本発明の光学装置で構成される信号機などの屋外用表示機器は、寒暖の差が激しい屋外でも高い発光効率と、高い信頼性を維持できるので、視認性がよく、かつメンテナンスの頻度も減らせるという効果が得られる。
【００２７】
【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。
【００２８】
図１は、本発明の光素子用光学デバイスに発光素子チップを配置した発光デバイス（光学装置）の例を説明するための図である。図1において、発光デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子チップ１１を受け皿部に積載してダイボンドしたリードフレーム１２と、ボンディングワイヤ１４で発光素子チップ１１と接続された他方のリードフレーム１３と、その回りに設けられた光反射部材１５とを有し、これらの部材をモールド樹脂１６で封止した構成をしている。
【００２９】
そしてこの発光デバイスにおいては、モールド樹脂１６の光出射側中央部に、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１７が形成され、発光素子チップ１１はこの直接出射領域１７の焦点、またはその近傍に位置している。そのため、発光素子チップ１１から出て直接出射領域１７に向かった光は、ほぼ平行光化されて直接モールド樹脂１６の前面から前方へ出射される。
【００３０】
一方直接出射領域１７の周囲には、この直接出射領域１７を囲むように平面状の全反射領域１８が形成され、かつ、発光素子チップ１１から見て、直接出射領域１７と全反射領域１８との境界方向と発光素子チップ１１の光軸とのなす角度が、モールド樹脂１６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されている。そのため発光素子チップ１１から出射された光のうち、全反射領域１８に向かった光は、経路１９に示したようにモールド樹脂１６の界面で全反射され、さらに光反射部材１５で反射されて全反射領域１８から前方へ出射される。
ここで、経路１９ａ、１９ｂに示したようにほぼ並行光を出射させるには発光素子チップ１１を光反射部材１５の焦点となる位置に配置すればよい。すなわち図1の発光デバイスにおいては、経路１９ａ、１９ｂからも明らかなように、光はモールド樹脂１６の界面で全反射されるので、発光素子チップ１１は、光反射部材１５の焦点となる位置に対して、モールド樹脂１６の界面を介して鏡像となる位置に配置すればよい。
【００３１】
なお、全反射領域１８は、経路１９ａと経路１９ｂおよび全反射領域１８が交わる点からも明らかなように、発光素子チップ１１から出射された第１の光（経路１９ａ）が全反射される全反射点と、発光素子チップ１１から出射され全反射点よりも発光素子チップ１１に近い界面上の点で全反射される第２の光（経路１９ｂ）が光反射部材１５で反射されて外部に出射される際に界面を通過する通過点が同一になる領域１０を有している。すなわち、モールド樹脂１６の界面の全反射を利用しているため、モールド樹脂１６の界面に別の反射部材を設ける必要がなく、またそのような別の反射部材によって、光の出射を妨げられることもない。
【００３２】
そのためこの発光デバイスにおいては、発光素子チップ１１から出た光のほとんどが有効光として直接出射領域１７と全反射領域１８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。しかも、光反射部材として曲板状の金属部材を使うことで、アルミ蒸着膜などを使う場合などに比し、組立てが容易で、かつ非常に安価に構成できると共に、モールド樹脂と蒸着膜の熱膨張係数が異なる場合、蒸着膜に亀裂が入るなどの事故を起こすという問題も生じない。なお、この図１の例では光反射部材１５の中心に発光素子チップ１１を置く場合を示したが、発光素子チップ１１の代わりにフォトダイオードや太陽電池などの受光素子チップを置き、前方から入射してきた光を受光素子チップに受光させるよう構成すると、効率のよい受光デバイス（光学装置）が構成できる。この受光デバイスは、図１において、外部から全反射領域１８であるモールド樹脂１６の界面に入射され光反射部材１５で反射した第１の光がモールド樹脂１６の界面の全反射点（参照符号１０で示す位置）にて全反射されて受光素子チップ１１に入射する光経路１９ａ（図１において逆矢印光経路）と、外部から全反射点（参照符号１０で示す位置）を通過してモールド樹脂１６の界面に入射され光反射部材１５で反射した第２の光がモールド樹脂１６の界面にて上記全反射点より前記受光素子に近い点で全反射されて受光素子チップ１１に入射される光経路１９ｂ（図１において逆矢印光経路）とを有する全反射領域１８を設けることで構成される。
このように発光素子チップに代えて受光素子チップを適応できることは、以下に説明する他の実施例でも同様である。
【００３３】
本発明では、以上のように構成した発光デバイスにさらにクラック防止構造を備えたことを特徴としている。図１の発光デバイスは、光反射部材１５とモールド樹脂１６で構成される光素子用光学デバイスにおいて、各構成部材をモールド樹脂１６で封止する際に、光反射部材１５とモールド樹脂１６との熱膨張係数の差によって応力が集中する部分、すなわち光反射部材１５の応力集中部に、発光素子チップ１１が発する光に対して透過率が良く、かつ、モールド樹脂１６よりも硬度の小さい物質で緩衝材２３を形成したものである。この層によって光反射部材１５とモールド樹脂１６の熱膨張係数の差により生じる応力を逃がすことができる。
【００３４】
このようなクラック防止構造を備えない場合の光素子用光学デバイスを図２を用いて説明する。図２は本発明に用いる光素子用光学デバイスに発光素子チップ１１を配置した発光デバイスにおけるモールド樹脂１５のクラックの発生部位を示す説明図である。図２の発光デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子チップ１１を受け皿部に載置してダイボンドしたリードフレーム１２、ボンディングワイヤ１４で発光素子チップ１１と接続された他方のリードフレーム１３、その回りに設けられた光反射部材１５などを有し、これらの部材をモールド樹脂１６で封止した構成をしている。
【００３５】
そしてこの発光デバイスにおいては、モールド樹脂１６の光出射側中央部に、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１７を形成し、発光素子チップ１１はこの直接出射領域１７の焦点、またはその近傍に位置させている。そのため、発光素子チップ１１から出て直接出射領域１７に向かった光は、ほぼ平行光化されて直接モールド樹脂１６の前面から前方へ出射される。
【００３６】
一方直接出射領域１７の周囲には、この直接出射領域１７を囲むように平面状の全反射領域１８が形成され、かつ、発光素子チップ１１から見て、直接出射領域１７と全反射領域１８との境界方向と発光素子チップ１１の光軸とのなす角度が、モールド樹脂１６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。そのため発光素子チップ１１から出射された光のうち、経路１９ａ、１９ｂに示したように全反射領域１８に向かった光は、モールド樹脂１６の界面で全反射され、さらに光反射部材１５で反射されて全反射領域１８から前方へ出射する。
【００３７】
なお、全反射領域１８は、経路１９ａと経路１９ｂおよび全反射領域１８が交わる点からも明らかなように、発光素子チップ１１から出射された第１の光（経路１９ａ）が全反射される全反射点と、発光素子チップ１１から出射され全反射点よりも発光素子チップ１１に近い界面上の点で全反射される第２の光（経路１９ｂ）が光反射部材１５で反射されて外部に出射される際に界面を通過する通過点が同一になる領域１０を有している。すなわち、モールド樹脂１６の界面の全反射を利用しているため、モールド樹脂１６の界面に別の反射部材を設ける必要がなく、またそのような別の反射部材によって、光の出射を妨げられることもない。
【００３８】
そのためこの発光デバイスにおいては、発光素子チップ１１から出た光のほとんどが有効光として直接出射領域１７と全反射領域１８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。なお、この図２の例では光反射部材１５の中心に発光素子チップ１１を置く場合を示したが、発光素子チップ１１の代わりにフォトダイオードなどの受光素子チップを置き、前方から入射してきた光を受光素子チップに受光させるよう構成すると、効率のよい受光デバイスが構成できる。
【００３９】
しかしながら、このように構成した発光デバイスにおける光反射部材１５、モールド樹脂１６で構成される光素子用光学デバイスは、光反射部材１５の縁部に行くに従い、モールド樹脂の層が薄くなる。そのため、図２の２０で示した光反射部材１５の最外周部に、光反射部材１５の鋭角部によりモールド樹脂１６に薄肉部が形成され、また２１で示した光反射部材１５とリードフレーム１２、または１３との近接部にも薄肉部が形成される。また、温度変化の際の熱膨張係数が金属では１１〜１５ｐｐｍ、樹脂では７０〜１００ｐｐｍと大きく異なり、膨張、収縮時における応力のかかる方向が金属と樹脂で大きく異なる。
【００４０】
そのため光反射部材１５に金属を用いた場合、モールド樹脂１６の成形の際における温度変化、または車の中などにおける温度変化の激しい場所における使用など、使用環境での温度変化度合いの激しい場所においては、金属と樹脂の熱膨張係数の差により、このような薄肉部２０、２１には応力が集中し、また２１の部分には光反射部材１５の鋭角部があって、光反射部材１５近辺のモールド樹脂１６にクラックが入る可能性が生じる。
【００４１】
図３から図６は、このクラックの起きる原因を説明するための図であり、図３は、図２における光反射部材１５の温度変化による力の掛かる方向を示した図、図４は、同じく光反射部材１５の内側のモールド樹脂１６にかかる応力を示した図、図５は、光反射部材１５の縁部におけるモールド樹脂１６の薄肉部の応力とクラックの入り方を説明した図、図６は、光反射部材１５近辺のモールド樹脂１６における応力のシミュレーション図である。
【００４２】
まず光反射部材１５は、金属製のため温度が低下すると、図３（Ａ）に矢印で示したように曲率が小さくなる方向に力が掛かり、図３（Ｂ）のように収縮しようとする。一方この光反射部材１５の内側のモールド樹脂１６は、図４の（Ａ）に矢印で示したように、モールド樹脂１６で作成される立体の重心方向に向けて収縮し、図４（Ｂ）のように収縮しようとする。そのため光反射部材１５の縁部のモールド樹脂１６が薄肉になった部分においては、図５（Ａ）に示したように光反射部材１５の収縮力とモールド樹脂１６の収縮力の方向が異なり、図５（Ｂ）に示したようにクラック２２が入る。
【００４３】
これは前記した光反射部材１５とリードフレーム１２、または１３との近接部の薄肉部などでも同様であり、シミュレーション図６にそれが現れている。すなわちこの図６において１２はリードフレーム、１５は光反射部材でこれらは金属であり、１６はモールド樹脂である。そして１から９は、それぞれの場所における応力の強さを表し、数字が大きくなるほど応力が強くなることを示している。
【００４４】
この図６からも明らかなように、前記図２における２０で示した光反射部材１５の最外周部の鋭角部によるモールド樹脂１６の薄肉部や、２１で示した光反射部材１５とリードフレーム１２、または１３との近接部の薄肉部などに相当する部分は、応力が７、８、９の強い部分となっており、この部分にクラックが入りやすいことを示している。なお、応力が８、９と最も強い部分は、光反射部材１５の凹面側、すなわち光反射側にあり、この部分に特にクラックが入りやすいことも示している。
【００４５】
しかしながらこのようにクラックが入ると、その部分の光は当然進行方向が曲げられたり出射できなくなって前方に出射される光が少なくなり、さらに、せっかくモールド樹脂１６で光反射部材１５や発光素子チップ１１を封止しているにもかかわらず、クラック部分から侵入した空気に含まれる水蒸気やガスにより、光反射部材１５や発光素子チップ１１が錆びたり劣化したりして信頼性が低下するという不具合が生じることになる。
【００４６】
そこで、図１の発光デバイスに設けたようなクラック防止構造、すなわち光反射部材１５とモールド樹脂１６との熱膨張係数の差によって応力が集中する部分となる光反射部材１５とモールド樹脂１６の境界の応力集中部に、発光素子チップ１１が発する光に対して透過率が良く、かつ、モールド樹脂１６よりも硬度の小さい物質で緩衝材２３ａ、２３ｂ，２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆを形成した構造が有効になる。
特に応力が最も集中する光反射部材１５の凹面側、すなわち光反射側の応力集中部を含む部分には必ず緩衝材２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅを設けたほうがよい。
【００４７】
このような構造を備えることで、樹脂成形に際して封止に用いる１３０℃程度の高温のモールド樹脂を注入し、その温度が常温まで下がるような場合、及び夏の車内のように高温にさらされるところで使用する場合など、温度変化の大きなところで用いる場合でも、光反射部材１５の熱収縮とモールド樹脂１６の熱収縮の量と方向の差異により生じる応力は緩衝用の層で逃がすことができ、モールド樹脂１６にクラックを生じることが無くなる。またこの緩衝材２３は、光反射部材１５のリードフレーム１２、１３近辺の鋭角部のエッジを無くす効果もあり、エッジによるモールド樹脂１６のクラック発生も防止できる。また緩衝材２３は、応力の集中する部分のみにコートすればいいから、工程も簡単にできる。
【００４８】
この緩衝材２３は、前記したように発光素子チップ１１が発する光に対して透過率が良く、かつ、モールド樹脂１６よりも硬度の小さい物質であれば、樹脂、シリコン、フッ素系コート剤、気体、液体などどのような物質を用いてもよく、また層も、単層だけでなく、複数層でも良い。フッ素系コート材を用いた場合、コート材の温度が低下した際に空気層ができるから、それをそのまま利用できる。また、モールド樹脂１６の収縮によってできた空洞層なども利用できる。なお硬度については、ＪＩＳＫ６２４９で規定される硬度において、８０の加硫化ゴムを使った場合はクラックが発生し、３９のシリコンゴムを使った場合は好結果が得られた。そのため、硬度が５０以下、好ましくは４０以下のものが良い。
【００４９】
しかしながらこのように、モールド樹脂１６におけるクラックの発生しやすい部位となる応力集中部に緩衝材２３を設けた場合、この緩衝材２３の屈折率はモールド樹脂１６の屈折率とは異なるため、その部分だけ光の出射方向が異なってしまう。これを実験値に基づいて説明したのが図７であり、図７（Ａ）は緩衝材を設けた場合、図７（Ｂ）は緩衝材を設けない場合である。図中１５は光反射部材、１６はモールド樹脂、１８は全反射領域、２３は緩衝材、２８は仮想発光素子チップ、２９、３５は光の経路であり、この図７において、図１に１１で示した発光素子チップは、説明を簡略化するため仮想的に全反射領域１８とは対称な位置に仮想発光素子チップ２８として示した。
【００５０】
そしてこの例においては、緩衝材がない図７（Ｂ）の場合、仮想発光素子チップ２８から出て経路２９に向かう光は、光反射部材１５で反射されて全反射領域１８から出るとき、例えば光軸に対して８度の傾きで出て行き、経路３５に向かう光は同じく光軸に対して１０．５度で出ていくよう設計した。そのときシリコンなどを使った緩衝材のある図７（Ａ）では、同じ光の経路２９で光反射部材１５に向かった光はこの緩衝材２３で屈折されて光反射部材１５で反射され、緩衝材２３から出るときまた屈折される。そのため、全反射領域１８から出射するとき、光軸に対して１４度程度の傾きとなり、光軸方向に集まる光となってしまう。そのため、緩衝材２３を通った光とそれ以外の部分からの光は出射方向が大きく異なり、光反射部材１５の縁部からの反射光を効率よく使用することができなくなる。
【００５１】
このようなことに対処するため、光反射部材１５の全表面にわたって緩衝材を設けたのが図８に示した実施例である。この図８において図１と同様な構成要素には同一番号を付し、３０は光反射部材１５の全表面に一様、または一様に準じる厚みを有するように設けた緩衝材である。このように光反射部材１５の全表面に緩衝材３０を設けることにより、全反射面でほぼ同じ屈折角度でこの緩衝材３０で光が屈折され、図７（Ａ）に示したような特定の部位だけ反射角が大きく異なるということが無くなる。
【００５２】
しかしながら緩衝材３０は、前記したようにモールド樹脂１６とは屈折率が異なるから、例え反射面全域に均等に緩衝材３０を設けても反射面の位置によって緩衝材３０への光の入射角が異なり、緩衝材３０の厚みで光の出射角に差が生じる。そのため、この緩衝材３０の厚みを１００μｍと３００μｍとし、出射角を調べた結果を示したのが図９である。図中、１５は光反射部材で、この曲率は前記図７（Ｂ）における光反射部材１５と同じであるとする（すなわち緩衝材３０が無い場合、光は図７（Ｂ）と全く同じ経路で全反射領域１８から出射する）。１６はモールド樹脂、１８は全反射領域、２８は前記図７で説明したような仮想発光素子チップ、３０は緩衝材、３１から３４は光の経路である。
【００５３】
まず、図９（Ａ）のように光反射部材１５の表面に均一にシリコンを１００μｍ厚でコートした場合、仮想発光素子チップ２８から出た光は、緩衝材３０に入るとき屈折し、光反射部材１５で反射されて緩衝材３０から出るとき再度屈折して全反射領域１８から出射される。そして、図７（Ｂ）における光軸側に近い経路３５と同じような図９（Ａ）の経路３１で光反射部材１５に向かった光は、光軸から図７（Ｂ）と同じ１０．５度の傾きで全反射領域１８から出射する。そして図７（Ｂ）における経路２９と同じ図９（Ａ）の経路３２で光反射部材１５に向かった光は、図７（Ｂ）の場合は光軸からの傾きが８度であったが、図９（Ａ）の場合は８．２度の傾きで全反射領域１８から出射し、両者には０．２度の差が生じた。
【００５４】
そして、図９（Ｂ）のように光反射部材１５の表面に均一にシリコンを３００μｍ厚でコートした場合、図７（Ｂ）における光軸側に近い経路３５と同じような図９（Ｂ）の経路３３で光反射部材１５に向かった光は、光軸から１０．８度の傾きで全反射領域１８から出射し、両者には０．３度の差が生じた。そして図７（Ｂ）における経路２９と同じような図９（Ｂ）の経路３４で光反射部材１５に向かった光は、８．４度の傾きで全反射領域１８から出射し、両者には０．４度の差が生じた。
【００５５】
このように、緩衝材３０が光反射部材１５に均一な厚さでコートされている場合は、厚さが１００μｍでも３００μｍでも全反射領域１８から出射する光の方向にそれほど大きな違いはない。しかしながら現実問題として、光反射部材１５のような全面に全く均一な厚さでシリコンなどをコートすることは難しい。すなわち図１０（Ａ）、（Ｂ）に示したように、通常緩衝材３６、３７は、表面張力の作用で光反射部材１５の外縁、内縁で薄く、中央部では厚くなる。なおこの図１０において、図１０（Ａ）における緩衝材の厚さは３００μｍ、図１０（Ｂ）における緩衝材の厚さは１００μｍとする。
【００５６】
そのため２８を、全反射領域１８とは対称な位置に置いた発光素子チップ１１の仮想発光素子チップとした場合、図１０（Ａ）のように緩衝材の厚みを３００μｍとすると、光反射部材１５の外縁近辺の薄くなっている部分に進む光の経路３８においては、緩衝材の厚さが３００μｍの場合の射出方向に比べて約２．１度のズレが生じ、内縁方向に進む光の経路３９においても同様約１．５度のズレが生じる。それに対して図１０（Ｂ）の１００μｍの場合は、外縁近辺に進む光の経路３８の場合に約０．６度、内縁方向に進む光の経路３９においては約０．５度と１度以下のズレで収まる。そのため、光の射出方向の緩衝材により生じるズレを１度以下に収めるには、緩衝材の厚さを１００μｍ以下にすることが好ましい。
【００５７】
図１１、図１２は、さらにこの緩衝材の厚さ（コーティング厚）と中心効率、及び発光デバイスから出射された光の広がり角（指向角）を調べたグラフである。図１１において、横軸は緩衝材の厚さ（コーティング厚）で、縦軸は中心効率である。中心効率とは、発光デバイスから出射される全光量を１００％としたとき、この発光デバイスから一定の距離における光軸を中心とした円の中に入る光量の割合を示したもので、この図１１の例では、一例として発光デバイスから１２０ｍｍ離れた照射面におけるΦ８．４ｍｍの範囲に入る光量の割合を示している。また図１２において、横軸は緩衝材の厚さ（コーティング厚）で、縦軸は指向角である。指向角とは、発光デバイスから出射される光線の広がり角を意味し、ある照射面における最も明るい点に対して一定の比率になる照射領域の角度を示しており、この図１２の例では例えば５０％（半値）になる照射領域の角度を示している。
【００５８】
またこの図１１、図１２において、最大値と最小値として示したものは、ある緩衝材の厚さ（コーティング厚）での理想的な組み立て状態（設計値）に対して、部品公差と組み立て公差（バラツキ）を考慮したときの中心効率及び指向角の最大値、最小値を示したものである。そのため図１１において、例えば緩衝材の厚さ（コーティング厚）が５０μｍの場合、最大値は２．７％、最小値は１．３％となり、中心効率はこの範囲で変動することを意味する。
【００５９】
そしてまず図１１から明らかなように、中心効率の最小値は緩衝材の厚さ（コーティング厚）が０から１５０μｍの間でほぼフラットであるのに対し、最大値は３０から１００μｍの間がフラットであるが、それ以外の厚さで中心効率が高くなって光が中心に集まっており、そのため、緩衝材の厚さ（コーティング厚）を３０から１００μｍに制御することが好ましい。そしてつぎの図１２を見ると、緩衝材の厚さ（コーティング厚）がこの３０から１００μｍの範囲では、最大値、最小値共に変動幅が２度以内に入っているが、１００μｍを越えると最小値が小さくなっており、やはり中心に光が集まる傾向があって、緩衝材の厚さ（コーティング厚）は３０から１００μｍに制御することが好ましい。
【００６０】
また、この緩衝材の厚さ（コーティング厚）は、製造時のばらつきや、製造時の環境条件などでも２０μｍ程度の変動が予想され、厳密な制御は難しい。従って、緩衝材の厚さ（コーティング厚）が多少変動しても、中心効率や指向角の変動が±１０％以下に抑えられることが望ましく、この図１１、図１２において、「最大値」、「最小値」がこの条件を満たすのは前記した３０から１００μｍであり、緩衝材の厚さ（コーティング厚）を３０μｍ以上、１００μｍ以下とすれば光学特性への影響が少ない緩衝材が実現できる。
【００６１】
以上が本発明における光素子用光学デバイスのモールド樹脂のクラック防止構造であるが、以上説明してきたような光反射部材と封止用のモールド樹脂で構成される光素子用光学デバイスのみを、こういった光素子用光学デバイスを持たない発光デバイス、すなわち発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールと組み合わせるようにすることもできる。
【００６２】
この例を示したのが図１３であり、図中１１は単体デバイスとしての発光素子チップ、１５は光反射部材、１６はモールド樹脂であり、以下の実施例説明における光反射部材１５には、以上説明してきたようにモールド樹脂に応力が集中する部位、または光反射部材の凹面側、または表面全域に緩衝材がコートされているものとする。
【００６３】
まず図１３（ａ）は、表面実装タイプなどの発光素子モジュール４０を、反射部材１５、モールド樹脂１６で作った光素子用光学デバイスの中に収容したものである。この場合は前記図１、図８に示したように、発光素子チップ１１からの光は直接出射領域１７と、全反射領域１８で全反射された後光反射部材１５で再度反射されて光素子用光学デバイスの外部に出射される。このように構成することで、内部に発光素子チップを備えた場合と同様に、光利用効率が高く、かつクラックの発生を防止した発光デバイスを形成することができる。
【００６４】
図１３（ｂ）は、反射部材１５、モールド樹脂１６で作った光素子用光学デバイスをドーナツ型に構成し、砲弾型の発光素子モジュール４１を中心穴に入れて構成したものである。この場合、発光素子チップ１１から全反射領域１８に向かった光はここで全反射されて光反射部材１５方向に向かい、前方に射出される。
【００６５】
図１３（ｃ）は、反射部材１５、モールド樹脂１６で作った光素子用光学デバイスをドーナツ型に構成し、発光素子チップ１１の前方に凸状のレンズ部を持つ発光素子モジュール４２の凸状部を入れたものである。
【００６６】
図１３（ｄ）は、反射部材１５、モールド樹脂１６で作った光素子用光学デバイスに、直接出射領域１７を形成すると共に直接出射領域１７の裏に砲弾型の発光素子モジュール４３が入るように整形して、砲弾型の発光素子モジュール４３を収容したものである。
【００６７】
図１３（ｅ）は、図１３（ａ）に用いた光素子用光学デバイスと図１３（ｃ）に用いた発光素子モジュールと類似形状の発光素子モジュール４４を組み合わせたもので、図１３（ａ）と同様な効果が得られる。図１３（ｆ）は、背面が平面状に成形した光素子用光学デバイスと、前面を平面にした発光素子モジュール４５を組み合わせたもので、これも図１３（ａ）と同様な効果が得られる。
【００６８】
また以上の実施例説明においては、発光素子チップ１１を反射部材１５側に置く場合について説明してきたが、図１４のようにモールド樹脂１６の光出射面側内部に発光素子チップ１１を置いた場合も全く同様である。この場合も反射部材１５の凹面状の部分にモールド樹脂１６で発光素子チップ１１が封止されているから、前記したように反射部材１５の縁部においてはモールド樹脂１６のクラックが発生する。
【００６９】
そのため、図１４（ｂ）のように反射部材１５の端部に緩衝材４６を設けてモールド樹脂１６を注入したり、図１４（ｃ）のように反射部材１５の凹面状の反射部全面に緩衝材４７を設けるようにすれば、これらのクラックは防止できる。
【００７０】
なお、以上の説明では、発光素子チップもしくは発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子と、光素子用光学デバイスを組み合わせる場合を説明してきたが、前記したように発光素子の代わりにフォトダイオード、太陽電池などの受光素子チップもしくは受光素子チップをモールド樹脂中に封止した受光素子モジュールからなる受光素子などの光素子を置くことで、前面から入射してきた光を効率よく受ける受光デバイス（光学装置）が構成できる。そしてこの場合も、以上述べてきたようにモールド樹脂１６の応力集中部や、光反射部材の凹部や表面全域に緩衝剤をコートすることで、モールド樹脂１６のクラックを防止でき、光反射部材に入射した光を全て受光素子に集めることができると共に、水蒸気やガスにより、光反射部材や受光素子が錆びたり劣化したりして信頼性が低下するという不具合が防止できる。
【００７１】
以上の説明では、発光素子や受光素子などの光素子を光素子用光学デバイスの所定の位置に封止、もしくは配置する発光デバイスや受光デバイス等の光学装置の構成を説明したが、以下にこのような光学装置の製造方法について、発光素子チップを光素子用光学デバイスの所定の位置に封止する発光デバイスを例にとって説明する。
【００７２】
図１５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、発光素子チップを光素子用光学デバイスの所定の位置に封止する発光デバイスの製造方法の一例を表している。図１５には発光デバイスを製造するための２４が示されており、金型２４にはモールド樹脂１６を成形するためのキャビティ２５が形成されており、キャビティ２５の底面には全反射領域１８を成形するためのパターン面２６と直接出射領域１７を成形するためのパターン面２７とが形成されている。
【００７３】
発光デバイスの製造にあたっては、あらかじめ所定の位置に緩衝材２３を配置した光反射部材１５を製作しておく。すなわち、図１に示す光反射部材１５のように、光反射部材１５の表面の、光反射部材１５とモールド樹脂１６の境界の応力集中部となる位置に、発光素子チップ１１が発する光に対して透過率が良く、かつ、モールド樹脂１６よりも硬度の小さい物質で緩衝材２３を配置しておく。次に、図１５に示すように、キャビティ２５内に緩衝材２３を配置した光反射部材１５を納める。光反射部材１５の外径寸法とキャビティ２５の内径とはほぼ等しいので、光反射部材１５をキャビティ２５内に入れてキャビティ２５の底面に光反射部材１５を置くことによりキャビティ２５内で光反射部材１５を位置決めすることができる。
【００７４】
図１５（ｂ）には、リードフレーム１２の受け皿部に発光素子チップ１１をダイボンドし、リードフレーム１３と発光素子チップ１１をボンディングワイヤ１４でつないだものを示しているが、これは別工程で予め製作されている。これを、図１５（ｂ）に示すように、発光素子チップ１１を下にした状態でキャビティ２５内に納め、リードフレーム１２、１３の上端を支持することによって発光素子チップ１１をキャビティ２５内で所定位置に位置決めする。
【００７５】
この状態で、図１５（ｃ）に示すように、キャビティ２５内にモールド樹脂１６を注入して発光素子チップ１１や光反射部材１５をインサートすると共に直接出射領域１７や全反射領域１８を成形し、モールド樹脂１６が冷却して硬化したらキャビティ２５から取り出し、発光デバイスを得る。
【００７６】
このような製造方法によれば、図１の経路１９に示したように、発光素子チップ１１から出射された光のうち、全反射領域１８に向かった光が、モールド樹脂１６の界面で全反射され、さらに光反射部材１５で反射されて全反射領域１８から前方へ出射されるように、発光素子チップ１１、樹脂界面１８、光反射部材１５などの位置決めを容易に行えると共に、緩衝材２３を容易に樹脂部材と光反射部材の境界に配置することができ、簡単な設備によって光利用効率が高く、かつクラックが生じることが少ない発光デバイスを量産することができる。
【００７７】
なお、ここでは発光デバイスの製造方法の例を示したが、図１５（ｂ）において、発光素子チップ１１を実装したリードフレーム１２、１３をキャビティ２５内に納める代わりに、図１３に示したような発光素子モジュール４０〜４５を配置するための凹部もしくは平坦部を形成するための型を納めることで、光素子用光学デバイス単体の製造も容易に実現できる。
さらに、発光素子チップ１１もしくは、発光素子モジュール４０〜４５用の型に代えて、受光素子チップや受光素子モジュール用の型を用いることで、受光デバイスも同様にして製造することができる。
【００７８】
以上説明してきた本発明の光素子用光学デバイスおよび光素子用光学デバイスを用いた光学装置は、寒暖の差の激しい屋外や、夏などはかなり高温になる車内など、設置条件の悪い環境におけるディスプレイ装置や、車載ランプ用光源、あるいは屋外用表示機器などの光学機器に使用するのに好適であり、以下、こういった事例を図１６から図２５を用いて説明する。
【００７９】
まず図１６、図１７は、前記図１３で説明したような本発明になる光素子用光学デバイスを、アレイ状に配列した光学装置である発光デバイスアレイ５０の一構成例斜視図（図１６）、及び断面図（図１７）である。これは、台座５１の上に配置された回路基板５２の上に、複数の発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した複数の発光素子モジュールからなる発光素子５３を一定間隔で配列させ、その上に本発明の光素子用光学デバイスアレイ５４を重ねたもので、光素子用光学デバイスアレイ５４には、発光素子５３と同じピッチで直接出射領域部５５や、光反射部材５６が設けられている。そして、この発き光デバイスアレイ５０に一定ピッチで配列された個々の発光デバイス５７は、個々に光らせるようになっていて、各種のディスプレイに使用できるよう構成されている。なお、この図１６、図１７における光素子用光学デバイスは、前記図１３に説明した場合を例としたが、前記図１や図８、或いは図１４に示したような発光デバイスとしてもよいことはもちろんである。
【００８０】
図１８は、本発明による光素子用光学デバイスと、発光素子チップもしくは発光素子モジュールからなる発光素子で構成した発光デバイス６１を複数個備えた光学機器であるディスプレイ装置６０の斜視図であり、このディスプレイ装置６０にあっては、複数の発光デバイス６１をマトリクス状、ないしハニカム状などに配列してあり、各発光デバイス６１を個々に点滅させることによって各種のディスプレイが可能なようになっている。なおこの図１８では、スタンド型のものを示しているが、壁掛け式や家屋の外壁部分等に取り付けられるものでもよい。
【００８１】
図１９は、支柱７０の上に設置された本発明による光素子用光学デバイスと、発光素子チップもしくは発光素子モジュールからなる発光素子で構成した発光デバイス７３を複数個備えた発光ディスプレイ７１の一例を示す正面図であり、図２０、及び図２１は、この発光ディスプレイ７１を構成する発光ディスプレイユニット７２の正面図、及び側面図である。この発光ディスプレイ７１は、たとえば道路状況や気象状況を運転者に伝えるため、文字やイラストの部分を発光デバイス７３で構成したもので、図２１に示したように、発光デバイス７３を基板７４に実装し、その基板７４をベース７５とカバー７６との間に挟み込み、各発光デバイス７３をカバー７６の孔から露出させるようにしたものである。発光デバイス７３は、表示しようとするマークや文字に応じて適当な発光色のものを適当なパターンで基板７４に配置される。
【００８２】
図２２、及び図２３は、本発明による光素子用光学デバイスと、発光素子チップもしくは発光素子モジュールからなる発光素子で構成した発光デバイス５７を複数個備えた光学機器である信号機８０の正面図、及び側面図である。この信号機８０は、赤、黄、緑の信号灯８１Ｒ、８１Ｙ、８１Ｇを配列したものであって、上方をフード８２で覆われている。赤、黄、緑の各信号灯８１Ｒ、８１Ｙ、８１Ｇは、前記図１７に示したように、対応する発光色の発光デバイス５７を、方向を揃えて基板５２に多数実装し、その基板５２をケーシング内に納め、その前面を乳白色、又は半透明のカバーで覆ったものである。
【００８３】
図２４は、本発明による光素子用光学デバイスと、発光素子チップもしくは発光素子モジュールからなる発光素子で構成した発光デバイス９０を用いたハイマウントストップランプ９１を示す斜視図である。このハイマウントストップランプ９１は、横に長い基板９２の上に、図２５に示すような略長円状をした発光デバイス９０を複数個一列に並べて実装したものである。
【００８４】
このハイマウントストップランプ用の発光デバイス９０は、前記図１、図８、または図１３、或いは図１４に示した発光デバイスと同様な構造を有するものであるが、全体が略長円状、楕円状、長方形状など、横に長い正面形状をしているので、円盤状をした光反射部材１５の両側を折り曲げてモールド樹脂１６内にインサートしている。そして、この発光デバイス９０は、その長軸方向が基板の長さ方向と平行になるようにして基板９２上に実装されている。
【００８５】
このハイマウントストップランプ９１は、車両９３のリアウインドウ９４の内部に取り付けられ、車両９３の運転手がブレーキを踏んだときに全発光デバイス９０が一斉に点灯し、後続の車両に報知するものである。このようなハイマウントストップランプ９１において、横に長い発光デバイス９０を用いれば、効率よく横長の光を出射させることが可能になる。また、発光デバイス９０を横長にすることで、必要な発光デバイス９０の数を少なくすることができるので、ハイマウントストップランプ９１のコストを安価にすることができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によれば、光反射部材とモールド樹脂の熱膨張計数の違いにより生じる応力を緩衝材で逃がしてクラックの発生を防止するようにしたため、クラックによって光が前方に出射されなくなる領域が発生するのを防止できるとともに、水蒸気やガスにより、光反射部材や発光素子が錆びたり劣化して信頼性が低下するという不具合が防止できる。従って、寒暖の差の激しい屋外や、夏などはかなり高温になる車内など、設置条件の悪い環境におけるディスプレイ装置などに使用するのに好適な光素子用光学デバイスが提供できる。
【００８７】
そしてこの緩衝材は、一様、または一様に準じる厚みを持ち、１００μｍ以下にすることで、モールド樹脂と緩衝材の屈折率の違いによる光の出射方向の偏差を最小にすることができ、さらに中心効率や指向角を最適として、組み立て時のバラツキなどにも耐えられる効率的な光素子用光学デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図２】 本発明に用いる発光デバイスにおけるモールド樹脂のクラックの発生部位の説明図である。
【図３】 反射部材の熱収縮による効果の説明図である。
【図４】 モールド樹脂の熱収縮による効果の説明図である。
【図５】 反射部材をモールド樹脂で封止したときにモールド樹脂にかかる応力を説明する図である。
【図６】 反射部材をモールド樹脂で封止したときにモールド樹脂にかかる応力のシミュレーション図である。
【図７】 モールド樹脂のクラック防止用の緩衝材を、反射部材の縁部に設けた場合と緩衝材を設けない場合の光経路の説明図である。
【図８】 本発明における他の実施の形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図９】 モールド樹脂のクラック防止用の緩衝材を、反射部材の反射面全面に設けた場合における緩衝材の厚みの違いによる光経路の説明図である。
【図１０】 反射部材の縁部と中央における緩衝材の厚みの違いによる光経路の説明図である。
【図１１】 本発明になる光素子用光学デバイスにおける、クラック防止用の緩衝材の厚さと中心効率の関係を示したグラフである。
【図１２】 本発明になる光素子用光学デバイスにおける、クラック防止用の緩衝材の厚さと発光デバイスから出射された光の広がり角の関係を示したグラフである。
【図１３】 発光デバイスを別部材とした場合の実施例の説明図である。
【図１４】 発光素子をモールド樹脂の光射出面側に設けた実施例の説明図である。
【図１５】 本発明の光学装置の製造方法について、発光デバイスを例にとった説明図である。
【図１６】 本発明になる光素子用光学デバイスを、アレイ状に配列した発光デバイスアレイの一構成例斜視図である。
【図１７】 本発明になる光素子用光学デバイスを、アレイ状に配列した発光デバイスアレイ５０の一構成断面図である。
【図１８】 本発明になる光素子用光学デバイスを用いたディスプレイ装置の斜視図である。
【図１９】 支柱の上に設置された本発明になる光素子用光学デバイスで構成した発光ディスプレイの一例を示す正面図である。
【図２０】 図１９に示した発光ディスプレイユニットの正面図である。
【図２１】 図１９に示した発光ディスプレイユニットの側面図である。
【図２２】 本発明になる光素子用光学デバイスを使用した信号機の正面図である。
【図２３】 本発明になる光素子用光学デバイスを使用した信号機の側面図である。
【図２４】 本発明になる光素子用光学デバイスを使用し、車載用ハイマウントストップランプを構成した一例の斜視図である。
【図２５】 図２４に示した車載用ハイマウントストップランプを構成する発光デバイスの一例である。
【図２６】 従来例の発光素子モジュールの断面図である。
【符号の説明】
１１ 発（受）光素子チップ
１２、１３ リードフレーム
１４ ボンディングワイヤ
１５ 光反射部材
１６ モールド樹脂
１７ 直接出射領域
１８ 全反射領域
２３ 緩衝材
【発明の属する技術分野】
本発明は、凹の曲面を有した光反射部材と、該光反射部材の少なくとも凹部を封止する樹脂とからなり、前記光反射部材の中央近辺に発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子チップ、もしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子、あるいはフォトダイオードなどの受光素子チップ、もしくは前記受光素子チップをモールド樹脂中に封止した受光素子モジュールからなる受光素子を封止するかまたは配置できるようにした形態の光素子用光学デバイスにおける樹脂の薄肉部のクラックを防止する構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードなどの発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールでは、発光素子チップから前方へ出射された光はそのまま発光素子モジュールから出射されるが、発光素子チップから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、ケースの内面で散乱されたりしてロスとなり、光利用効率が低くなる。
【０００３】
このため斜め方向に出射された光も効率よく取り出せるようにした発光素子モジュールとして、図２６に示すような発光素子モジュールが提案されている。図２６において、１０１は発光素子チップ、１０２は透明ガラス基板、１０３及び１０４はリードフレーム、１０５はボンディングワイヤ、１０６は反射部材、１０８は光透過性樹脂からなるモールド樹脂である。リードフレーム１０３及び１０４は透明ガラス基板１０２の背面に設けられており、発光素子チップ１０１はリードフレーム１０３の背面に実装され、リードフレーム１０４との間をボンディングワイヤ１０５によって接続されている。反射部材１０６の反射面１０７は複数の平板領域によって多面体状に形成されている。
【０００４】
この発光素子モジュールにおいては、発光素子チップ１０１から背面側へ向けて光を出射させ、背面側へ出射された光を反射面１０７によって反射させてモールド樹脂１０８及び透明ガラス基板１０２を通して前方へ出射させるようにしている。特に、発光素子チップ１０１から斜め方向に出射された光も、反射面１０７で反射された後、モールド樹脂１０８及び透明ガラス基板１０２を通して前方へ出射されるので、光利用効率が向上する。なお、発光素子チップ１０１の代わりにフォトダイオードなどの受光素子チップを配置し、前方から入射してきた光を受光素子チップに受光させるよう構成すると、効率のよい受光素子モジュールが構成できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような発光素子モジュールでは、反射部材で反射された光が前方へ出射される際、発光素子チップやリードフレームに遮られてこれらの影が生じ、最も光量が得られるはずの光軸中心付近の光を効率よく利用することができない。
さらに、発光素子モジュールから出射された光の指向特性において光軸中心付近が暗くなるので、表示用の光源としては見た目が悪く、視覚的な不具合が生じていた。
また、温度変化の激しい場所での使用においては、光反射部材とモールド樹脂の熱膨張係数の違いから、光反射部材とモールド樹脂の界面近傍に応力が集中し、モールド樹脂にクラックが入るという問題があった。
【０００６】
上述の事情に鑑み本発明は、発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子、あるいは受光素子チップもしくは前記受光素子をモールド樹脂中に封止した受光素子等に用いるべく、発光素子あるいは受光素子を封止するかまたは配置できるようにした形態の光素子用光学デバイスや、光素子用光学デバイスを用いた機器において、所望の指向特性を備え、かつクラックの発生防止機能を備えた光素子用光学デバイスや、光素子用光学デバイスを用いた機器の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる光素子用光学デバイスは、光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光素子用光学デバイスであって、
光を反射させる光反射部材と、
前記光反射部材の少なくとも光反射面を覆う樹脂部材とからなり、
前記樹脂部材は、前記光素子前方の所定領域を外れた光をほぼ全反射させる樹脂界面を備え、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記樹脂界面、あるいは前記光反射部材の配置が定められ、
前記光反射部材の少なくとも一部に、前記樹脂部材より硬度の小さい緩衝材が設けられており、
前記緩衝材が設けられた箇所において、前記光反射部材は前記緩衝材を介して前記樹脂部材と接しており、
前記緩衝材の厚みは１００μｍ以下であることを特徴とする。
なお、前記樹脂部材は、前記光素子前方の所定領域に達した光を出射あるいは集光するレンズ部を備えてもよい。
【０００８】
また、前記緩衝材は、前記光反射部材と樹脂との熱的収縮、または膨張により発生する応力の集中部に設けてもよいし、前記光反射部材の少なくとも光反射側に設けても良い。
【０００９】
このように構成することで、光利用効率が高い光素子用光学デバイスが実現でき、さらに光反射部材とモールド樹脂の熱膨張計数の違いにより生じる応力を緩衝材で逃がし、クラックの発生を防止するようにしたから、クラックの発生で光が前方に出射、もしくは入射されなくなるのを防止でき、また、水蒸気やガスにより、光反射部材や光素子が錆びたり劣化したりして信頼性が低下するという不具合が防止できる。
【００１０】
そして前記緩衝材は、硬度の低い軟質層、または気体、または流体層、または収縮によってできた空洞層であることが好ましい。また前記緩衝材の硬度は、ＪＩＳＫ６２４９で規定される硬度において、５０以下であることが好ましい。
【００１１】
緩衝材をこのようにすることで、光反射部材とモールド樹脂の熱膨張計数の違いにより生じる応力を確実に逃がすことができる。
【００１２】
そしてこの緩衝材は、一様、または一様に準じる厚みを有することが好ましく、また、前記緩衝材の厚みは、好ましくは３０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
緩衝材をこのように構成することで、モールド樹脂と緩衝材の屈折率の違いによる光の出射方向の偏差を最小にすることができ、さらに中心効率や指向角を最適として、組み立て時のバラツキなどにも耐えられる光素子用光学デバイスを提供することができる。
【００１４】
本発明にかかる光素子用光学デバイスアレイは、前記光素子用光学デバイスを複数個配列させたことを特徴とする。このような光素子用光学デバイスアレイは、薄型でかつ大面積の発光装置や、前面から入射してきた光を効率よく受ける受光装置に用いることができる。
【００１５】
本発明にかかる光学装置は、前記光素子用光学デバイスアレイと、光素子を備え、前記光素子は、前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように定められた位置に配置されたことを特徴とする。
この光学装置によれば、光素子に発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子を用いて薄型でかつ大面積の発光装置を形成したり、光素子に受光素子チップもしくは前記受光素子チップをモールド樹脂中に封止した受光素子を用いて前面から入射してきた光を効率よく受ける受光装置を形成したりすることができる。
【００１６】
本発明にかかる別の光学装置は、光素子と、前記光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光素子用光学デバイスと、を備えた光学装置であって、
前記光素子用光学デバイスは、光を反射させる光反射部材と、前記光反射部材の少なくとも光反射面を覆う樹脂部材とからなり、
前記樹脂部材は、前記光素子前方の所定領域を外れた光をほぼ全反射させる樹脂界面を備え、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記樹脂界面、あるいは前記光反射部材の配置が定められ、
前記光反射部材の少なくとも一部に、前記樹脂部材より硬度の小さい緩衝材が設けられており、
前記緩衝材が設けられた箇所において、前記光反射部材は前記緩衝材を介して前記樹脂部材と接しており、
前記緩衝材の厚みは１００μｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
なお、前記光素子は、発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子としてもよい。
このような光学装置によれば、光利用効率が高く、かつ光反射部材とモールド樹脂の熱膨張計数の違いによるクラックの発生を防止した発光デバイスを形成することができる。
【００１８】
前記樹脂界面は、前記発光素子から出射される第１の光が全反射される前記樹脂界面上の全反射点と、前記発光素子から出射され前記全反射点よりも前記発光素子に近い前記樹脂界面上の点で全反射される第２の光が前記光反射部材で反射されて外部に出射される際に前記樹脂界面を通過する通過点とが、同一である領域を有するように構成してもよい。
このように樹脂界面を定めることによって、樹脂界面に別の反射部材を設ける必要がなく、またそのような別の反射部材によって光の出射を妨げられることもなく、簡単な構造で光利用効率を高めることができる。
【００１９】
なお、前記光素子は、受光素子チップもしくは前記受光素子チップをモールド樹脂中に封止した受光素子としてもよい。
このような光学装置によれば、光利用効率が高く、かつ光反射部材とモールド樹脂の熱膨張計数の違いによるクラックの発生を防止した受光デバイスを形成することができる。
【００２０】
そして、前記光学装置は、外部から前記樹脂界面に入射され前記光反射部材で反射した第１の光が前記樹脂界面の全反射点にて全反射されて前記受光素子に入射する光経路と、外部から前記全反射点を通過して前記樹脂界面に入射され前記光反射部材で反射した第２の光が前記樹脂界面にて前記全反射位置より前記受光素子に近い点で全反射されて前記受光素子に入射される光経路とを有するように前記樹脂界面を設けても良い。
このように樹脂界面を設けることによって、樹脂界面に別の反射部材を設ける必要がなく、またそのような別の反射部材によって光の入射を妨げられることもなく、簡単な構造で光利用効率を高めることができる。
【００２１】
そして、前記光素子は、前記光反射部材の焦点となる位置に対して、前記樹脂界面を介して鏡像となる位置の近傍に配置されてもよい。このような光学装置は、ほぼ並行光を出射する発光デバイスや、ほぼ並行光を受光する受光デバイスに用いることができる。
【００２２】
本発明にかかる光素子用光学デバイスの製造方法は、
光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光素子用光学デバイスの製造方法であって、
光反射部材に緩衝材を配置する工程と、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、樹脂部材の界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記光反射部材を前記樹脂部材で覆う工程と、
を有し、
前記緩衝材の厚みを１００μｍ以下にすることを特徴とする。
この光素子用光学デバイスの製造方法によれば、光利用効率を高める位置関係に樹脂部材の界面と光反射部材の位置関係を定められると共に、緩衝材を容易に樹脂部材と光反射部材の境界に配置することができる。
【００２３】
本発明にかかる光学装置の製造方法は、
光素子を内部に備え、前記光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光学装置の製造方法であって、
光反射部材に緩衝材を配置する工程と、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光学装置の外部とを結ぶ光経路が、樹脂部材の界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように、前記光素子と前記光反射部材を前記樹脂部材で覆う工程と、を有し、
前記緩衝材の厚みを１００μｍ以下にすることを特徴とする。
この光素子用光学デバイスの製造方法によれば、光利用効率を高める位置関係に光素子と、樹脂部材の界面と、光反射部材の位置関係を定められると共に、緩衝材を容易に樹脂部材と光反射部材の境界に配置することができる。
【００２５】
本発明にかかる光学機器は、
発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子を複数個有し、
前記発光素子から外部に至る出射光の光路を制御する光素子用光学デバイスを複数個備えた光学機器において、
光を反射させる光反射部材と、前記光反射部材の少なくとも光反射面を覆う樹脂部材とからなり、
前記樹脂部材は、前記発光素子前方の所定領域を外れた光をほぼ全反射させる樹脂界面を備え、
前記発光素子前方の所定領域を外れた光の、前記発光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記樹脂界面、あるいは前記光反射部材の配置が定められ、
前記光反射部材の少なくとも一部に、前記樹脂部材より硬度の小さい緩衝材が設けられており、
前記緩衝材が設けられた箇所において、前記光反射部材は前記緩衝材を介して前記樹脂部材と接しており、
前記緩衝材の厚みは１００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２６】
このような光学機器で構成されるディスプレイ装置は、寒暖の差が激しい屋外などでもクラックの発生を防止できるので、高い発光効率と、高い信頼性を得ることができる。
また、このような光学機器で構成される車載用ランプ光源は、温度環境が厳しい条件においても、高い発光効率と、高い信頼性を維持することができる。
さらに、本発明の光学装置で構成される信号機などの屋外用表示機器は、寒暖の差が激しい屋外でも高い発光効率と、高い信頼性を維持できるので、視認性がよく、かつメンテナンスの頻度も減らせるという効果が得られる。
【００２７】
【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。
【００２８】
図１は、本発明の光素子用光学デバイスに発光素子チップを配置した発光デバイス（光学装置）の例を説明するための図である。図1において、発光デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子チップ１１を受け皿部に積載してダイボンドしたリードフレーム１２と、ボンディングワイヤ１４で発光素子チップ１１と接続された他方のリードフレーム１３と、その回りに設けられた光反射部材１５とを有し、これらの部材をモールド樹脂１６で封止した構成をしている。
【００２９】
そしてこの発光デバイスにおいては、モールド樹脂１６の光出射側中央部に、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１７が形成され、発光素子チップ１１はこの直接出射領域１７の焦点、またはその近傍に位置している。そのため、発光素子チップ１１から出て直接出射領域１７に向かった光は、ほぼ平行光化されて直接モールド樹脂１６の前面から前方へ出射される。
【００３０】
一方直接出射領域１７の周囲には、この直接出射領域１７を囲むように平面状の全反射領域１８が形成され、かつ、発光素子チップ１１から見て、直接出射領域１７と全反射領域１８との境界方向と発光素子チップ１１の光軸とのなす角度が、モールド樹脂１６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されている。そのため発光素子チップ１１から出射された光のうち、全反射領域１８に向かった光は、経路１９に示したようにモールド樹脂１６の界面で全反射され、さらに光反射部材１５で反射されて全反射領域１８から前方へ出射される。
ここで、経路１９ａ、１９ｂに示したようにほぼ並行光を出射させるには発光素子チップ１１を光反射部材１５の焦点となる位置に配置すればよい。すなわち図1の発光デバイスにおいては、経路１９ａ、１９ｂからも明らかなように、光はモールド樹脂１６の界面で全反射されるので、発光素子チップ１１は、光反射部材１５の焦点となる位置に対して、モールド樹脂１６の界面を介して鏡像となる位置に配置すればよい。
【００３１】
なお、全反射領域１８は、経路１９ａと経路１９ｂおよび全反射領域１８が交わる点からも明らかなように、発光素子チップ１１から出射された第１の光（経路１９ａ）が全反射される全反射点と、発光素子チップ１１から出射され全反射点よりも発光素子チップ１１に近い界面上の点で全反射される第２の光（経路１９ｂ）が光反射部材１５で反射されて外部に出射される際に界面を通過する通過点が同一になる領域１０を有している。すなわち、モールド樹脂１６の界面の全反射を利用しているため、モールド樹脂１６の界面に別の反射部材を設ける必要がなく、またそのような別の反射部材によって、光の出射を妨げられることもない。
【００３２】
そのためこの発光デバイスにおいては、発光素子チップ１１から出た光のほとんどが有効光として直接出射領域１７と全反射領域１８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。しかも、光反射部材として曲板状の金属部材を使うことで、アルミ蒸着膜などを使う場合などに比し、組立てが容易で、かつ非常に安価に構成できると共に、モールド樹脂と蒸着膜の熱膨張係数が異なる場合、蒸着膜に亀裂が入るなどの事故を起こすという問題も生じない。なお、この図１の例では光反射部材１５の中心に発光素子チップ１１を置く場合を示したが、発光素子チップ１１の代わりにフォトダイオードや太陽電池などの受光素子チップを置き、前方から入射してきた光を受光素子チップに受光させるよう構成すると、効率のよい受光デバイス（光学装置）が構成できる。この受光デバイスは、図１において、外部から全反射領域１８であるモールド樹脂１６の界面に入射され光反射部材１５で反射した第１の光がモールド樹脂１６の界面の全反射点（参照符号１０で示す位置）にて全反射されて受光素子チップ１１に入射する光経路１９ａ（図１において逆矢印光経路）と、外部から全反射点（参照符号１０で示す位置）を通過してモールド樹脂１６の界面に入射され光反射部材１５で反射した第２の光がモールド樹脂１６の界面にて上記全反射点より前記受光素子に近い点で全反射されて受光素子チップ１１に入射される光経路１９ｂ（図１において逆矢印光経路）とを有する全反射領域１８を設けることで構成される。
このように発光素子チップに代えて受光素子チップを適応できることは、以下に説明する他の実施例でも同様である。
【００３３】
本発明では、以上のように構成した発光デバイスにさらにクラック防止構造を備えたことを特徴としている。図１の発光デバイスは、光反射部材１５とモールド樹脂１６で構成される光素子用光学デバイスにおいて、各構成部材をモールド樹脂１６で封止する際に、光反射部材１５とモールド樹脂１６との熱膨張係数の差によって応力が集中する部分、すなわち光反射部材１５の応力集中部に、発光素子チップ１１が発する光に対して透過率が良く、かつ、モールド樹脂１６よりも硬度の小さい物質で緩衝材２３を形成したものである。この層によって光反射部材１５とモールド樹脂１６の熱膨張係数の差により生じる応力を逃がすことができる。
【００３４】
このようなクラック防止構造を備えない場合の光素子用光学デバイスを図２を用いて説明する。図２は本発明に用いる光素子用光学デバイスに発光素子チップ１１を配置した発光デバイスにおけるモールド樹脂１５のクラックの発生部位を示す説明図である。図２の発光デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などの発光素子チップ１１を受け皿部に載置してダイボンドしたリードフレーム１２、ボンディングワイヤ１４で発光素子チップ１１と接続された他方のリードフレーム１３、その回りに設けられた光反射部材１５などを有し、これらの部材をモールド樹脂１６で封止した構成をしている。
【００３５】
そしてこの発光デバイスにおいては、モールド樹脂１６の光出射側中央部に、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１７を形成し、発光素子チップ１１はこの直接出射領域１７の焦点、またはその近傍に位置させている。そのため、発光素子チップ１１から出て直接出射領域１７に向かった光は、ほぼ平行光化されて直接モールド樹脂１６の前面から前方へ出射される。
【００３６】
一方直接出射領域１７の周囲には、この直接出射領域１７を囲むように平面状の全反射領域１８が形成され、かつ、発光素子チップ１１から見て、直接出射領域１７と全反射領域１８との境界方向と発光素子チップ１１の光軸とのなす角度が、モールド樹脂１６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。そのため発光素子チップ１１から出射された光のうち、経路１９ａ、１９ｂに示したように全反射領域１８に向かった光は、モールド樹脂１６の界面で全反射され、さらに光反射部材１５で反射されて全反射領域１８から前方へ出射する。
【００３７】
なお、全反射領域１８は、経路１９ａと経路１９ｂおよび全反射領域１８が交わる点からも明らかなように、発光素子チップ１１から出射された第１の光（経路１９ａ）が全反射される全反射点と、発光素子チップ１１から出射され全反射点よりも発光素子チップ１１に近い界面上の点で全反射される第２の光（経路１９ｂ）が光反射部材１５で反射されて外部に出射される際に界面を通過する通過点が同一になる領域１０を有している。すなわち、モールド樹脂１６の界面の全反射を利用しているため、モールド樹脂１６の界面に別の反射部材を設ける必要がなく、またそのような別の反射部材によって、光の出射を妨げられることもない。
【００３８】
そのためこの発光デバイスにおいては、発光素子チップ１１から出た光のほとんどが有効光として直接出射領域１７と全反射領域１８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。なお、この図２の例では光反射部材１５の中心に発光素子チップ１１を置く場合を示したが、発光素子チップ１１の代わりにフォトダイオードなどの受光素子チップを置き、前方から入射してきた光を受光素子チップに受光させるよう構成すると、効率のよい受光デバイスが構成できる。
【００３９】
しかしながら、このように構成した発光デバイスにおける光反射部材１５、モールド樹脂１６で構成される光素子用光学デバイスは、光反射部材１５の縁部に行くに従い、モールド樹脂の層が薄くなる。そのため、図２の２０で示した光反射部材１５の最外周部に、光反射部材１５の鋭角部によりモールド樹脂１６に薄肉部が形成され、また２１で示した光反射部材１５とリードフレーム１２、または１３との近接部にも薄肉部が形成される。また、温度変化の際の熱膨張係数が金属では１１〜１５ｐｐｍ、樹脂では７０〜１００ｐｐｍと大きく異なり、膨張、収縮時における応力のかかる方向が金属と樹脂で大きく異なる。
【００４０】
そのため光反射部材１５に金属を用いた場合、モールド樹脂１６の成形の際における温度変化、または車の中などにおける温度変化の激しい場所における使用など、使用環境での温度変化度合いの激しい場所においては、金属と樹脂の熱膨張係数の差により、このような薄肉部２０、２１には応力が集中し、また２１の部分には光反射部材１５の鋭角部があって、光反射部材１５近辺のモールド樹脂１６にクラックが入る可能性が生じる。
【００４１】
図３から図６は、このクラックの起きる原因を説明するための図であり、図３は、図２における光反射部材１５の温度変化による力の掛かる方向を示した図、図４は、同じく光反射部材１５の内側のモールド樹脂１６にかかる応力を示した図、図５は、光反射部材１５の縁部におけるモールド樹脂１６の薄肉部の応力とクラックの入り方を説明した図、図６は、光反射部材１５近辺のモールド樹脂１６における応力のシミュレーション図である。
【００４２】
まず光反射部材１５は、金属製のため温度が低下すると、図３（Ａ）に矢印で示したように曲率が小さくなる方向に力が掛かり、図３（Ｂ）のように収縮しようとする。一方この光反射部材１５の内側のモールド樹脂１６は、図４の（Ａ）に矢印で示したように、モールド樹脂１６で作成される立体の重心方向に向けて収縮し、図４（Ｂ）のように収縮しようとする。そのため光反射部材１５の縁部のモールド樹脂１６が薄肉になった部分においては、図５（Ａ）に示したように光反射部材１５の収縮力とモールド樹脂１６の収縮力の方向が異なり、図５（Ｂ）に示したようにクラック２２が入る。
【００４３】
これは前記した光反射部材１５とリードフレーム１２、または１３との近接部の薄肉部などでも同様であり、シミュレーション図６にそれが現れている。すなわちこの図６において１２はリードフレーム、１５は光反射部材でこれらは金属であり、１６はモールド樹脂である。そして１から９は、それぞれの場所における応力の強さを表し、数字が大きくなるほど応力が強くなることを示している。
【００４４】
この図６からも明らかなように、前記図２における２０で示した光反射部材１５の最外周部の鋭角部によるモールド樹脂１６の薄肉部や、２１で示した光反射部材１５とリードフレーム１２、または１３との近接部の薄肉部などに相当する部分は、応力が７、８、９の強い部分となっており、この部分にクラックが入りやすいことを示している。なお、応力が８、９と最も強い部分は、光反射部材１５の凹面側、すなわち光反射側にあり、この部分に特にクラックが入りやすいことも示している。
【００４５】
しかしながらこのようにクラックが入ると、その部分の光は当然進行方向が曲げられたり出射できなくなって前方に出射される光が少なくなり、さらに、せっかくモールド樹脂１６で光反射部材１５や発光素子チップ１１を封止しているにもかかわらず、クラック部分から侵入した空気に含まれる水蒸気やガスにより、光反射部材１５や発光素子チップ１１が錆びたり劣化したりして信頼性が低下するという不具合が生じることになる。
【００４６】
そこで、図１の発光デバイスに設けたようなクラック防止構造、すなわち光反射部材１５とモールド樹脂１６との熱膨張係数の差によって応力が集中する部分となる光反射部材１５とモールド樹脂１６の境界の応力集中部に、発光素子チップ１１が発する光に対して透過率が良く、かつ、モールド樹脂１６よりも硬度の小さい物質で緩衝材２３ａ、２３ｂ，２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆを形成した構造が有効になる。
特に応力が最も集中する光反射部材１５の凹面側、すなわち光反射側の応力集中部を含む部分には必ず緩衝材２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅを設けたほうがよい。
【００４７】
このような構造を備えることで、樹脂成形に際して封止に用いる１３０℃程度の高温のモールド樹脂を注入し、その温度が常温まで下がるような場合、及び夏の車内のように高温にさらされるところで使用する場合など、温度変化の大きなところで用いる場合でも、光反射部材１５の熱収縮とモールド樹脂１６の熱収縮の量と方向の差異により生じる応力は緩衝用の層で逃がすことができ、モールド樹脂１６にクラックを生じることが無くなる。またこの緩衝材２３は、光反射部材１５のリードフレーム１２、１３近辺の鋭角部のエッジを無くす効果もあり、エッジによるモールド樹脂１６のクラック発生も防止できる。また緩衝材２３は、応力の集中する部分のみにコートすればいいから、工程も簡単にできる。
【００４８】
この緩衝材２３は、前記したように発光素子チップ１１が発する光に対して透過率が良く、かつ、モールド樹脂１６よりも硬度の小さい物質であれば、樹脂、シリコン、フッ素系コート剤、気体、液体などどのような物質を用いてもよく、また層も、単層だけでなく、複数層でも良い。フッ素系コート材を用いた場合、コート材の温度が低下した際に空気層ができるから、それをそのまま利用できる。また、モールド樹脂１６の収縮によってできた空洞層なども利用できる。なお硬度については、ＪＩＳＫ６２４９で規定される硬度において、８０の加硫化ゴムを使った場合はクラックが発生し、３９のシリコンゴムを使った場合は好結果が得られた。そのため、硬度が５０以下、好ましくは４０以下のものが良い。
【００４９】
しかしながらこのように、モールド樹脂１６におけるクラックの発生しやすい部位となる応力集中部に緩衝材２３を設けた場合、この緩衝材２３の屈折率はモールド樹脂１６の屈折率とは異なるため、その部分だけ光の出射方向が異なってしまう。これを実験値に基づいて説明したのが図７であり、図７（Ａ）は緩衝材を設けた場合、図７（Ｂ）は緩衝材を設けない場合である。図中１５は光反射部材、１６はモールド樹脂、１８は全反射領域、２３は緩衝材、２８は仮想発光素子チップ、２９、３５は光の経路であり、この図７において、図１に１１で示した発光素子チップは、説明を簡略化するため仮想的に全反射領域１８とは対称な位置に仮想発光素子チップ２８として示した。
【００５０】
そしてこの例においては、緩衝材がない図７（Ｂ）の場合、仮想発光素子チップ２８から出て経路２９に向かう光は、光反射部材１５で反射されて全反射領域１８から出るとき、例えば光軸に対して８度の傾きで出て行き、経路３５に向かう光は同じく光軸に対して１０．５度で出ていくよう設計した。そのときシリコンなどを使った緩衝材のある図７（Ａ）では、同じ光の経路２９で光反射部材１５に向かった光はこの緩衝材２３で屈折されて光反射部材１５で反射され、緩衝材２３から出るときまた屈折される。そのため、全反射領域１８から出射するとき、光軸に対して１４度程度の傾きとなり、光軸方向に集まる光となってしまう。そのため、緩衝材２３を通った光とそれ以外の部分からの光は出射方向が大きく異なり、光反射部材１５の縁部からの反射光を効率よく使用することができなくなる。
【００５１】
このようなことに対処するため、光反射部材１５の全表面にわたって緩衝材を設けたのが図８に示した実施例である。この図８において図１と同様な構成要素には同一番号を付し、３０は光反射部材１５の全表面に一様、または一様に準じる厚みを有するように設けた緩衝材である。このように光反射部材１５の全表面に緩衝材３０を設けることにより、全反射面でほぼ同じ屈折角度でこの緩衝材３０で光が屈折され、図７（Ａ）に示したような特定の部位だけ反射角が大きく異なるということが無くなる。
【００５２】
しかしながら緩衝材３０は、前記したようにモールド樹脂１６とは屈折率が異なるから、例え反射面全域に均等に緩衝材３０を設けても反射面の位置によって緩衝材３０への光の入射角が異なり、緩衝材３０の厚みで光の出射角に差が生じる。そのため、この緩衝材３０の厚みを１００μｍと３００μｍとし、出射角を調べた結果を示したのが図９である。図中、１５は光反射部材で、この曲率は前記図７（Ｂ）における光反射部材１５と同じであるとする（すなわち緩衝材３０が無い場合、光は図７（Ｂ）と全く同じ経路で全反射領域１８から出射する）。１６はモールド樹脂、１８は全反射領域、２８は前記図７で説明したような仮想発光素子チップ、３０は緩衝材、３１から３４は光の経路である。
【００５３】
まず、図９（Ａ）のように光反射部材１５の表面に均一にシリコンを１００μｍ厚でコートした場合、仮想発光素子チップ２８から出た光は、緩衝材３０に入るとき屈折し、光反射部材１５で反射されて緩衝材３０から出るとき再度屈折して全反射領域１８から出射される。そして、図７（Ｂ）における光軸側に近い経路３５と同じような図９（Ａ）の経路３１で光反射部材１５に向かった光は、光軸から図７（Ｂ）と同じ１０．５度の傾きで全反射領域１８から出射する。そして図７（Ｂ）における経路２９と同じ図９（Ａ）の経路３２で光反射部材１５に向かった光は、図７（Ｂ）の場合は光軸からの傾きが８度であったが、図９（Ａ）の場合は８．２度の傾きで全反射領域１８から出射し、両者には０．２度の差が生じた。
【００５４】
そして、図９（Ｂ）のように光反射部材１５の表面に均一にシリコンを３００μｍ厚でコートした場合、図７（Ｂ）における光軸側に近い経路３５と同じような図９（Ｂ）の経路３３で光反射部材１５に向かった光は、光軸から１０．８度の傾きで全反射領域１８から出射し、両者には０．３度の差が生じた。そして図７（Ｂ）における経路２９と同じような図９（Ｂ）の経路３４で光反射部材１５に向かった光は、８．４度の傾きで全反射領域１８から出射し、両者には０．４度の差が生じた。
【００５５】
このように、緩衝材３０が光反射部材１５に均一な厚さでコートされている場合は、厚さが１００μｍでも３００μｍでも全反射領域１８から出射する光の方向にそれほど大きな違いはない。しかしながら現実問題として、光反射部材１５のような全面に全く均一な厚さでシリコンなどをコートすることは難しい。すなわち図１０（Ａ）、（Ｂ）に示したように、通常緩衝材３６、３７は、表面張力の作用で光反射部材１５の外縁、内縁で薄く、中央部では厚くなる。なおこの図１０において、図１０（Ａ）における緩衝材の厚さは３００μｍ、図１０（Ｂ）における緩衝材の厚さは１００μｍとする。
【００５６】
そのため２８を、全反射領域１８とは対称な位置に置いた発光素子チップ１１の仮想発光素子チップとした場合、図１０（Ａ）のように緩衝材の厚みを３００μｍとすると、光反射部材１５の外縁近辺の薄くなっている部分に進む光の経路３８においては、緩衝材の厚さが３００μｍの場合の射出方向に比べて約２．１度のズレが生じ、内縁方向に進む光の経路３９においても同様約１．５度のズレが生じる。それに対して図１０（Ｂ）の１００μｍの場合は、外縁近辺に進む光の経路３８の場合に約０．６度、内縁方向に進む光の経路３９においては約０．５度と１度以下のズレで収まる。そのため、光の射出方向の緩衝材により生じるズレを１度以下に収めるには、緩衝材の厚さを１００μｍ以下にすることが好ましい。
【００５７】
図１１、図１２は、さらにこの緩衝材の厚さ（コーティング厚）と中心効率、及び発光デバイスから出射された光の広がり角（指向角）を調べたグラフである。図１１において、横軸は緩衝材の厚さ（コーティング厚）で、縦軸は中心効率である。中心効率とは、発光デバイスから出射される全光量を１００％としたとき、この発光デバイスから一定の距離における光軸を中心とした円の中に入る光量の割合を示したもので、この図１１の例では、一例として発光デバイスから１２０ｍｍ離れた照射面におけるΦ８．４ｍｍの範囲に入る光量の割合を示している。また図１２において、横軸は緩衝材の厚さ（コーティング厚）で、縦軸は指向角である。指向角とは、発光デバイスから出射される光線の広がり角を意味し、ある照射面における最も明るい点に対して一定の比率になる照射領域の角度を示しており、この図１２の例では例えば５０％（半値）になる照射領域の角度を示している。
【００５８】
またこの図１１、図１２において、最大値と最小値として示したものは、ある緩衝材の厚さ（コーティング厚）での理想的な組み立て状態（設計値）に対して、部品公差と組み立て公差（バラツキ）を考慮したときの中心効率及び指向角の最大値、最小値を示したものである。そのため図１１において、例えば緩衝材の厚さ（コーティング厚）が５０μｍの場合、最大値は２．７％、最小値は１．３％となり、中心効率はこの範囲で変動することを意味する。
【００５９】
そしてまず図１１から明らかなように、中心効率の最小値は緩衝材の厚さ（コーティング厚）が０から１５０μｍの間でほぼフラットであるのに対し、最大値は３０から１００μｍの間がフラットであるが、それ以外の厚さで中心効率が高くなって光が中心に集まっており、そのため、緩衝材の厚さ（コーティング厚）を３０から１００μｍに制御することが好ましい。そしてつぎの図１２を見ると、緩衝材の厚さ（コーティング厚）がこの３０から１００μｍの範囲では、最大値、最小値共に変動幅が２度以内に入っているが、１００μｍを越えると最小値が小さくなっており、やはり中心に光が集まる傾向があって、緩衝材の厚さ（コーティング厚）は３０から１００μｍに制御することが好ましい。
【００６０】
また、この緩衝材の厚さ（コーティング厚）は、製造時のばらつきや、製造時の環境条件などでも２０μｍ程度の変動が予想され、厳密な制御は難しい。従って、緩衝材の厚さ（コーティング厚）が多少変動しても、中心効率や指向角の変動が±１０％以下に抑えられることが望ましく、この図１１、図１２において、「最大値」、「最小値」がこの条件を満たすのは前記した３０から１００μｍであり、緩衝材の厚さ（コーティング厚）を３０μｍ以上、１００μｍ以下とすれば光学特性への影響が少ない緩衝材が実現できる。
【００６１】
以上が本発明における光素子用光学デバイスのモールド樹脂のクラック防止構造であるが、以上説明してきたような光反射部材と封止用のモールド樹脂で構成される光素子用光学デバイスのみを、こういった光素子用光学デバイスを持たない発光デバイス、すなわち発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールと組み合わせるようにすることもできる。
【００６２】
この例を示したのが図１３であり、図中１１は単体デバイスとしての発光素子チップ、１５は光反射部材、１６はモールド樹脂であり、以下の実施例説明における光反射部材１５には、以上説明してきたようにモールド樹脂に応力が集中する部位、または光反射部材の凹面側、または表面全域に緩衝材がコートされているものとする。
【００６３】
まず図１３（ａ）は、表面実装タイプなどの発光素子モジュール４０を、反射部材１５、モールド樹脂１６で作った光素子用光学デバイスの中に収容したものである。この場合は前記図１、図８に示したように、発光素子チップ１１からの光は直接出射領域１７と、全反射領域１８で全反射された後光反射部材１５で再度反射されて光素子用光学デバイスの外部に出射される。このように構成することで、内部に発光素子チップを備えた場合と同様に、光利用効率が高く、かつクラックの発生を防止した発光デバイスを形成することができる。
【００６４】
図１３（ｂ）は、反射部材１５、モールド樹脂１６で作った光素子用光学デバイスをドーナツ型に構成し、砲弾型の発光素子モジュール４１を中心穴に入れて構成したものである。この場合、発光素子チップ１１から全反射領域１８に向かった光はここで全反射されて光反射部材１５方向に向かい、前方に射出される。
【００６５】
図１３（ｃ）は、反射部材１５、モールド樹脂１６で作った光素子用光学デバイスをドーナツ型に構成し、発光素子チップ１１の前方に凸状のレンズ部を持つ発光素子モジュール４２の凸状部を入れたものである。
【００６６】
図１３（ｄ）は、反射部材１５、モールド樹脂１６で作った光素子用光学デバイスに、直接出射領域１７を形成すると共に直接出射領域１７の裏に砲弾型の発光素子モジュール４３が入るように整形して、砲弾型の発光素子モジュール４３を収容したものである。
【００６７】
図１３（ｅ）は、図１３（ａ）に用いた光素子用光学デバイスと図１３（ｃ）に用いた発光素子モジュールと類似形状の発光素子モジュール４４を組み合わせたもので、図１３（ａ）と同様な効果が得られる。図１３（ｆ）は、背面が平面状に成形した光素子用光学デバイスと、前面を平面にした発光素子モジュール４５を組み合わせたもので、これも図１３（ａ）と同様な効果が得られる。
【００６８】
また以上の実施例説明においては、発光素子チップ１１を反射部材１５側に置く場合について説明してきたが、図１４のようにモールド樹脂１６の光出射面側内部に発光素子チップ１１を置いた場合も全く同様である。この場合も反射部材１５の凹面状の部分にモールド樹脂１６で発光素子チップ１１が封止されているから、前記したように反射部材１５の縁部においてはモールド樹脂１６のクラックが発生する。
【００６９】
そのため、図１４（ｂ）のように反射部材１５の端部に緩衝材４６を設けてモールド樹脂１６を注入したり、図１４（ｃ）のように反射部材１５の凹面状の反射部全面に緩衝材４７を設けるようにすれば、これらのクラックは防止できる。
【００７０】
なお、以上の説明では、発光素子チップもしくは発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子と、光素子用光学デバイスを組み合わせる場合を説明してきたが、前記したように発光素子の代わりにフォトダイオード、太陽電池などの受光素子チップもしくは受光素子チップをモールド樹脂中に封止した受光素子モジュールからなる受光素子などの光素子を置くことで、前面から入射してきた光を効率よく受ける受光デバイス（光学装置）が構成できる。そしてこの場合も、以上述べてきたようにモールド樹脂１６の応力集中部や、光反射部材の凹部や表面全域に緩衝剤をコートすることで、モールド樹脂１６のクラックを防止でき、光反射部材に入射した光を全て受光素子に集めることができると共に、水蒸気やガスにより、光反射部材や受光素子が錆びたり劣化したりして信頼性が低下するという不具合が防止できる。
【００７１】
以上の説明では、発光素子や受光素子などの光素子を光素子用光学デバイスの所定の位置に封止、もしくは配置する発光デバイスや受光デバイス等の光学装置の構成を説明したが、以下にこのような光学装置の製造方法について、発光素子チップを光素子用光学デバイスの所定の位置に封止する発光デバイスを例にとって説明する。
【００７２】
図１５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、発光素子チップを光素子用光学デバイスの所定の位置に封止する発光デバイスの製造方法の一例を表している。図１５には発光デバイスを製造するための２４が示されており、金型２４にはモールド樹脂１６を成形するためのキャビティ２５が形成されており、キャビティ２５の底面には全反射領域１８を成形するためのパターン面２６と直接出射領域１７を成形するためのパターン面２７とが形成されている。
【００７３】
発光デバイスの製造にあたっては、あらかじめ所定の位置に緩衝材２３を配置した光反射部材１５を製作しておく。すなわち、図１に示す光反射部材１５のように、光反射部材１５の表面の、光反射部材１５とモールド樹脂１６の境界の応力集中部となる位置に、発光素子チップ１１が発する光に対して透過率が良く、かつ、モールド樹脂１６よりも硬度の小さい物質で緩衝材２３を配置しておく。次に、図１５に示すように、キャビティ２５内に緩衝材２３を配置した光反射部材１５を納める。光反射部材１５の外径寸法とキャビティ２５の内径とはほぼ等しいので、光反射部材１５をキャビティ２５内に入れてキャビティ２５の底面に光反射部材１５を置くことによりキャビティ２５内で光反射部材１５を位置決めすることができる。
【００７４】
図１５（ｂ）には、リードフレーム１２の受け皿部に発光素子チップ１１をダイボンドし、リードフレーム１３と発光素子チップ１１をボンディングワイヤ１４でつないだものを示しているが、これは別工程で予め製作されている。これを、図１５（ｂ）に示すように、発光素子チップ１１を下にした状態でキャビティ２５内に納め、リードフレーム１２、１３の上端を支持することによって発光素子チップ１１をキャビティ２５内で所定位置に位置決めする。
【００７５】
この状態で、図１５（ｃ）に示すように、キャビティ２５内にモールド樹脂１６を注入して発光素子チップ１１や光反射部材１５をインサートすると共に直接出射領域１７や全反射領域１８を成形し、モールド樹脂１６が冷却して硬化したらキャビティ２５から取り出し、発光デバイスを得る。
【００７６】
このような製造方法によれば、図１の経路１９に示したように、発光素子チップ１１から出射された光のうち、全反射領域１８に向かった光が、モールド樹脂１６の界面で全反射され、さらに光反射部材１５で反射されて全反射領域１８から前方へ出射されるように、発光素子チップ１１、樹脂界面１８、光反射部材１５などの位置決めを容易に行えると共に、緩衝材２３を容易に樹脂部材と光反射部材の境界に配置することができ、簡単な設備によって光利用効率が高く、かつクラックが生じることが少ない発光デバイスを量産することができる。
【００７７】
なお、ここでは発光デバイスの製造方法の例を示したが、図１５（ｂ）において、発光素子チップ１１を実装したリードフレーム１２、１３をキャビティ２５内に納める代わりに、図１３に示したような発光素子モジュール４０〜４５を配置するための凹部もしくは平坦部を形成するための型を納めることで、光素子用光学デバイス単体の製造も容易に実現できる。
さらに、発光素子チップ１１もしくは、発光素子モジュール４０〜４５用の型に代えて、受光素子チップや受光素子モジュール用の型を用いることで、受光デバイスも同様にして製造することができる。
【００７８】
以上説明してきた本発明の光素子用光学デバイスおよび光素子用光学デバイスを用いた光学装置は、寒暖の差の激しい屋外や、夏などはかなり高温になる車内など、設置条件の悪い環境におけるディスプレイ装置や、車載ランプ用光源、あるいは屋外用表示機器などの光学機器に使用するのに好適であり、以下、こういった事例を図１６から図２５を用いて説明する。
【００７９】
まず図１６、図１７は、前記図１３で説明したような本発明になる光素子用光学デバイスを、アレイ状に配列した光学装置である発光デバイスアレイ５０の一構成例斜視図（図１６）、及び断面図（図１７）である。これは、台座５１の上に配置された回路基板５２の上に、複数の発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した複数の発光素子モジュールからなる発光素子５３を一定間隔で配列させ、その上に本発明の光素子用光学デバイスアレイ５４を重ねたもので、光素子用光学デバイスアレイ５４には、発光素子５３と同じピッチで直接出射領域部５５や、光反射部材５６が設けられている。そして、この発き光デバイスアレイ５０に一定ピッチで配列された個々の発光デバイス５７は、個々に光らせるようになっていて、各種のディスプレイに使用できるよう構成されている。なお、この図１６、図１７における光素子用光学デバイスは、前記図１３に説明した場合を例としたが、前記図１や図８、或いは図１４に示したような発光デバイスとしてもよいことはもちろんである。
【００８０】
図１８は、本発明による光素子用光学デバイスと、発光素子チップもしくは発光素子モジュールからなる発光素子で構成した発光デバイス６１を複数個備えた光学機器であるディスプレイ装置６０の斜視図であり、このディスプレイ装置６０にあっては、複数の発光デバイス６１をマトリクス状、ないしハニカム状などに配列してあり、各発光デバイス６１を個々に点滅させることによって各種のディスプレイが可能なようになっている。なおこの図１８では、スタンド型のものを示しているが、壁掛け式や家屋の外壁部分等に取り付けられるものでもよい。
【００８１】
図１９は、支柱７０の上に設置された本発明による光素子用光学デバイスと、発光素子チップもしくは発光素子モジュールからなる発光素子で構成した発光デバイス７３を複数個備えた発光ディスプレイ７１の一例を示す正面図であり、図２０、及び図２１は、この発光ディスプレイ７１を構成する発光ディスプレイユニット７２の正面図、及び側面図である。この発光ディスプレイ７１は、たとえば道路状況や気象状況を運転者に伝えるため、文字やイラストの部分を発光デバイス７３で構成したもので、図２１に示したように、発光デバイス７３を基板７４に実装し、その基板７４をベース７５とカバー７６との間に挟み込み、各発光デバイス７３をカバー７６の孔から露出させるようにしたものである。発光デバイス７３は、表示しようとするマークや文字に応じて適当な発光色のものを適当なパターンで基板７４に配置される。
【００８２】
図２２、及び図２３は、本発明による光素子用光学デバイスと、発光素子チップもしくは発光素子モジュールからなる発光素子で構成した発光デバイス５７を複数個備えた光学機器である信号機８０の正面図、及び側面図である。この信号機８０は、赤、黄、緑の信号灯８１Ｒ、８１Ｙ、８１Ｇを配列したものであって、上方をフード８２で覆われている。赤、黄、緑の各信号灯８１Ｒ、８１Ｙ、８１Ｇは、前記図１７に示したように、対応する発光色の発光デバイス５７を、方向を揃えて基板５２に多数実装し、その基板５２をケーシング内に納め、その前面を乳白色、又は半透明のカバーで覆ったものである。
【００８３】
図２４は、本発明による光素子用光学デバイスと、発光素子チップもしくは発光素子モジュールからなる発光素子で構成した発光デバイス９０を用いたハイマウントストップランプ９１を示す斜視図である。このハイマウントストップランプ９１は、横に長い基板９２の上に、図２５に示すような略長円状をした発光デバイス９０を複数個一列に並べて実装したものである。
【００８４】
このハイマウントストップランプ用の発光デバイス９０は、前記図１、図８、または図１３、或いは図１４に示した発光デバイスと同様な構造を有するものであるが、全体が略長円状、楕円状、長方形状など、横に長い正面形状をしているので、円盤状をした光反射部材１５の両側を折り曲げてモールド樹脂１６内にインサートしている。そして、この発光デバイス９０は、その長軸方向が基板の長さ方向と平行になるようにして基板９２上に実装されている。
【００８５】
このハイマウントストップランプ９１は、車両９３のリアウインドウ９４の内部に取り付けられ、車両９３の運転手がブレーキを踏んだときに全発光デバイス９０が一斉に点灯し、後続の車両に報知するものである。このようなハイマウントストップランプ９１において、横に長い発光デバイス９０を用いれば、効率よく横長の光を出射させることが可能になる。また、発光デバイス９０を横長にすることで、必要な発光デバイス９０の数を少なくすることができるので、ハイマウントストップランプ９１のコストを安価にすることができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によれば、光反射部材とモールド樹脂の熱膨張計数の違いにより生じる応力を緩衝材で逃がしてクラックの発生を防止するようにしたため、クラックによって光が前方に出射されなくなる領域が発生するのを防止できるとともに、水蒸気やガスにより、光反射部材や発光素子が錆びたり劣化して信頼性が低下するという不具合が防止できる。従って、寒暖の差の激しい屋外や、夏などはかなり高温になる車内など、設置条件の悪い環境におけるディスプレイ装置などに使用するのに好適な光素子用光学デバイスが提供できる。
【００８７】
そしてこの緩衝材は、一様、または一様に準じる厚みを持ち、１００μｍ以下にすることで、モールド樹脂と緩衝材の屈折率の違いによる光の出射方向の偏差を最小にすることができ、さらに中心効率や指向角を最適として、組み立て時のバラツキなどにも耐えられる効率的な光素子用光学デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図２】 本発明に用いる発光デバイスにおけるモールド樹脂のクラックの発生部位の説明図である。
【図３】 反射部材の熱収縮による効果の説明図である。
【図４】 モールド樹脂の熱収縮による効果の説明図である。
【図５】 反射部材をモールド樹脂で封止したときにモールド樹脂にかかる応力を説明する図である。
【図６】 反射部材をモールド樹脂で封止したときにモールド樹脂にかかる応力のシミュレーション図である。
【図７】 モールド樹脂のクラック防止用の緩衝材を、反射部材の縁部に設けた場合と緩衝材を設けない場合の光経路の説明図である。
【図８】 本発明における他の実施の形態に係る要部構成を示す概略断面図である。
【図９】 モールド樹脂のクラック防止用の緩衝材を、反射部材の反射面全面に設けた場合における緩衝材の厚みの違いによる光経路の説明図である。
【図１０】 反射部材の縁部と中央における緩衝材の厚みの違いによる光経路の説明図である。
【図１１】 本発明になる光素子用光学デバイスにおける、クラック防止用の緩衝材の厚さと中心効率の関係を示したグラフである。
【図１２】 本発明になる光素子用光学デバイスにおける、クラック防止用の緩衝材の厚さと発光デバイスから出射された光の広がり角の関係を示したグラフである。
【図１３】 発光デバイスを別部材とした場合の実施例の説明図である。
【図１４】 発光素子をモールド樹脂の光射出面側に設けた実施例の説明図である。
【図１５】 本発明の光学装置の製造方法について、発光デバイスを例にとった説明図である。
【図１６】 本発明になる光素子用光学デバイスを、アレイ状に配列した発光デバイスアレイの一構成例斜視図である。
【図１７】 本発明になる光素子用光学デバイスを、アレイ状に配列した発光デバイスアレイ５０の一構成断面図である。
【図１８】 本発明になる光素子用光学デバイスを用いたディスプレイ装置の斜視図である。
【図１９】 支柱の上に設置された本発明になる光素子用光学デバイスで構成した発光ディスプレイの一例を示す正面図である。
【図２０】 図１９に示した発光ディスプレイユニットの正面図である。
【図２１】 図１９に示した発光ディスプレイユニットの側面図である。
【図２２】 本発明になる光素子用光学デバイスを使用した信号機の正面図である。
【図２３】 本発明になる光素子用光学デバイスを使用した信号機の側面図である。
【図２４】 本発明になる光素子用光学デバイスを使用し、車載用ハイマウントストップランプを構成した一例の斜視図である。
【図２５】 図２４に示した車載用ハイマウントストップランプを構成する発光デバイスの一例である。
【図２６】 従来例の発光素子モジュールの断面図である。
【符号の説明】
１１ 発（受）光素子チップ
１２、１３ リードフレーム
１４ ボンディングワイヤ
１５ 光反射部材
１６ モールド樹脂
１７ 直接出射領域
１８ 全反射領域
２３ 緩衝材
Claims (19)
- 光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光素子用光学デバイスであって、
光を反射させる光反射部材と、
前記光反射部材の少なくとも光反射面を覆う樹脂部材とからなり、
前記樹脂部材は、前記光素子前方の所定領域を外れた光をほぼ全反射させる樹脂界面を備え、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記樹脂界面、あるいは前記光反射部材の配置が定められ、
前記光反射部材の少なくとも一部に、前記樹脂部材より硬度の小さい緩衝材が設けられており、
前記緩衝材が設けられた箇所において、前記光反射部材は前記緩衝材を介して前記樹脂部材と接しており、
前記緩衝材の厚みは１００μｍ以下であることを特徴とする光素子用光学デバイス。 - 前記樹脂部材は、前記光素子前方の所定領域に達した光を出射あるいは集光するレンズ部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光素子用光学デバイス。
- 前記緩衝材は、前記光反射部材と樹脂との熱的収縮、または膨張により発生する応力の集中部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の光素子用光学デバイス。
- 前記緩衝材は、前記光反射部材の少なくとも光反射側に設けたことを特徴とする請求項１に記載の光素子用光学デバイス。
- 前記緩衝材は、硬度の低い軟質層、または気体、または流体層、または収縮によってできた空洞層であることを特徴とする請求項１に記載の光素子用光学デバイス。
- 前記緩衝材は、ＪＩＳＫ６２４９で規定される硬度において、５０以下であることを特徴とする請求項１に記載の光素子用光学デバイス。
- 前記緩衝材は、一様、または一様に準じる厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の光素子用光学デバイス。
- 前記緩衝材の厚みは、３０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光素子用光学デバイス。
- 請求項１に記載の光素子用光学デバイスを複数個配列させたことを特徴とする光素子用光学デバイスアレイ。
- 請求項９に記載の光素子用光学デバイスアレイと、光素子を備え、
前記光素子は、前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように定められた位置に配置されたことを特徴とする光学装置。 - 光素子と、
前記光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光素子用光学デバイスと、
を備えた光学装置であって、
前記光素子用光学デバイスは、光を反射させる光反射部材と、前記光反射部材の少なくとも光反射面を覆う樹脂部材とからなり、
前記樹脂部材は、前記光素子前方の所定領域を外れた光をほぼ全反射させる樹脂界面を備え、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記樹脂界面、あるいは前記光反射部材の配置が定められ、
前記光反射部材の少なくとも一部に、前記樹脂部材より硬度の小さい緩衝材が設けられ ており、
前記緩衝材が設けられた箇所において、前記光反射部材は前記緩衝材を介して前記樹脂部材と接しており、
前記緩衝材の厚みは１００μｍ以下であることを特徴とする光学装置。 - 前記光素子は、発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子であることを特徴とする請求項１１に記載の光学装置。
- 前記樹脂界面は、前記発光素子から出射される第1の光が全反射される前記樹脂界面上の全反射点と、前記発光素子から出射され前記全反射点よりも前記発光素子に近い前記樹脂界面上の点で全反射される第２の光が前記光反射部材で反射されて外部に出射される際に前記樹脂界面を通過する通過点とが、同一である領域を有していることを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
- 前記光素子は、受光素子チップもしくは前記受光素子チップをモールド樹脂中に封止した受光素子であることを特徴とする請求項１１に記載の光学装置。
- 外部から前記樹脂界面に入射され前記光反射部材で反射した第１の光が前記樹脂界面の全反射点にて全反射されて前記受光素子に入射する光経路と、外部から前記全反射点を通過して前記樹脂界面に入射され前記光反射部材で反射した第２の光が前記樹脂界面にて前記全反射点より前記受光素子に近い点で全反射されて前記受光素子に入射される光経路と、を有することを特徴とする請求項１４に記載の光学装置。
- 前記光素子は、前記光反射部材の焦点となる位置に対して、前記樹脂界面を介して鏡像となる位置の近傍に配置されたことを特徴とする請求項１１に記載の光学装置。
- 光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光素子用光学デバイスの製造方法であって、
光反射部材に緩衝材を配置する工程と、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、樹脂部材の界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記光反射部材を前記樹脂部材で覆う工程と、
を有し、
前記緩衝材の厚みを１００μｍ以下にすることを特徴とする光素子用光学デバイスの製造方法。 - 光素子を内部に備え、前記光素子から外部に至る出射光、あるいは外部から前記光素子に至る入射光の光路を制御する光学装置の製造方法であって、
光反射部材に緩衝材を配置する工程と、
前記光素子前方の所定領域を外れた光の、前記光素子と前記光学装置の外部とを結ぶ光経路が、樹脂部材の界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように、前記光素子と前記光反射部材を前記樹脂部材で覆う工程と、
を有し、
前記緩衝材の厚みを１００μｍ以下にすることを特徴とする光学装置の製造方法。 - 発光素子チップもしくは前記発光素子チップをモールド樹脂中に封止した発光素子モジュールからなる発光素子を複数個有し、
前記発光素子から外部に至る出射光の光路を制御する光素子用光学デバイスを複数個備えた光学機器において、
光を反射させる光反射部材と、前記光反射部材の少なくとも光反射面を覆う樹脂部材とからなり、
前記樹脂部材は、前記発光素子前方の所定領域を外れた光をほぼ全反射させる樹脂界面を備え、
前記発光素子前方の所定領域を外れた光の、前記発光素子と前記光素子用光学デバイスの外部とを結ぶ光経路が、前記樹脂界面と、前記光反射部材の各々で、少なくとも１回以上反射する経路を経由するように前記樹脂界面、あるいは前記光反射部材の配置が定められ、
前記光反射部材の少なくとも一部に、前記樹脂部材より硬度の小さい緩衝材が設けられており、
前記緩衝材が設けられた箇所において、前記光反射部材は前記緩衝材を介して前記樹脂部材と接しており、
前記緩衝材の厚みは１００μｍ以下であることを特徴とする光学機器。
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