JP4896383B2 - Ｌｅｄ光源およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ素子からの放射光の少なくとも一部に対して蛍光物質による波長変換を行なうＬＥＤ光源およびその製造方法に関する。

近年、白色ＬＥＤ光源が盛んに研究されている。照明用光源としてＬＥＤ素子を用いる場合、照明に適した白色を得るために、青色ＬＥＤ素子の周りを黄色に光る蛍光物質で覆うことが行なわれている（例えば特許文献１）。これにより、ＬＥＤからの放射光の一部を蛍光物質で波長変換し、合成光として白色の光を取り出すことができる。具体的には、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）材料を用いた青色ＬＥＤ素子に、ＹＡＧ系の蛍光物質を塗布したものがある。この例のＬＥＤ光源では、青色ＬＥＤ素子から波長４５０ｎｍの発光が生じ、この光を受けた蛍光物質が黄色（ピーク波長は約５５０ｎｍ）の蛍光を発する。これらの光が混合することにより、白色の光が提供されることになる。

本願発明者は、実装基板にＬＥＤ素子を直接実装することによって、ＬＥＤからの熱を直接実装基板に放熱する発明を完成し、特許文献２に開示した。特許文献２に記載されているＬＥＤ照明光源３００の断面図を図３に示す。このＬＥＤ照明光源では、基板１１上に設けられたＬＥＤ素子１２は、蛍光物質を含む円筒状樹脂部６０によって覆われている。円筒状樹脂部６０は第２の樹脂部６１で更に覆われている。円筒状樹脂部６０は、光波長変換部として機能し、光６２が第２の樹脂部６１から外部に放射される。
特許第２９９８６９６号明細書 特開２００４−１７２５８６号公報

本願発明者が更に検討を進めていくと、蛍光物質を含んだ円筒状樹脂部６０の形状を変化させることにより、ＬＥＤ光源から放射される光束が大きく変化することがわかった。

本願発明の目的とするところは、蛍光物質を含んだ樹脂からなる光波長変換部の形状を調節することにより、ＬＥＤ素子および蛍光物質からの光の取り出し効率を向上させ、光束を増加させたＬＥＤ光源を提供することにある。

本発明によるＬＥＤ光源は、基板の主面に実装された少なくとも１つのＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子から放射された光を当該光の波長よりも長い波長の光に変換する蛍光物質を含み、前記ＬＥＤ素子の少なくとも一部を覆う光波長変換部とを備えるＬＥＤ光源であって、前記光波長変換部の側面は、少なくとも１つの凹状曲面部分を有している。前記凹状曲面は、前記光波長変換部の側面の表面が前記ＬＥＤ素子の方向に窪んでいる。

好ましい実施形態において、前記光波長変換部の少なくとも一部を覆う透光性部材を備えている。

好ましい実施形態において、前記光波長変換部の前記側面から離隔された反射面と、前記光波長変換部の少なくとも一部を覆う透光性部材とを備え、前記透光性部材の屈折率は前記光波長変換部の屈折率とは異なっている。

好ましい実施形態において、前記透光性部材の屈折率は前記光波長変換部の屈折率よりも大きい。

好ましい実施形態において、前記透光性部材は、樹脂から形成されており、
前記透光性部材は、前記光波長変換部の前記側面と前記光反射部材の反射面との隙間を埋めている。

好ましい実施形態において、前記透光性部材は、レンズとして機能する。

好ましい実施形態において、前記光波長変換部は、前記蛍光物質を含有する樹脂から形成されている。

好ましい実施形態において、前記基板の主面に垂直な平面によって前記光波長変換部の側面における前記凹部を横切るように切り取った前記光波長変換部の断面は、前記凹部に対応する曲線を含む外形を有しており、前記曲線の曲率半径Ｒを前記光波長変換部の厚さｔで割った値Ｒ／ｔは０．５以上８．５以下の範囲内にある。

好ましい実施形態において、前記光波長変換部の前記側面における凹部の深さｄを前記光波長変換部の厚さｔで割った値ｄ／ｔは０．０３以上０．５以下の範囲内にある。

好ましい実施形態において、前記光波長変換部の前記側面における凹部の深さｄは０．０１ｍｍ以上０．１７ｍｍ以下の範囲内にある。

好ましい実施形態において、前記光波長変換部は、略円柱形状を有し、前記略円柱形状の側面が前記凹状曲面部分を形成している。

好ましい実施形態において、前記光波長変換部は、略円錐台形状を有し、前記略円錐台形状の側面が前記凹状曲面部分を形成している。

本発明による他のＬＥＤ光源は、基板の主面に配列された複数のＬＥＤ素子と、前記複数のＬＥＤ素子の各々の側面を取り囲む複数の反射面と、前記ＬＥＤ素子から放射された光を当該光の波長よりも長い波長の光に変換する蛍光物質を含み、各々が、対応する各ＬＥＤ素子を覆う複数の光波長変換部と、各々が、対応する光波長変換部を覆う複数の透光性部材とを備えるＬＥＤ光源であって、各光波長変換部の側面は、少なくとも１つの凹状曲面部分を有し、前記透光性部材は、前記光波長変換部の前記側面と前記光反射部材の反射面との隙間を埋めている。

本発明の印刷用版は、樹脂パターンを基板上に形成するために用いられる印刷用版であって、上面と、下面と、前記上面および下面をつなぐ少なくとも１つの貫通穴とを有するプレート状部材を備え、前記プレート状部材における前記貫通穴の内壁面は、少なくとも前記貫通穴に充填された樹脂が硬化する間、前記貫通穴の中心部に向かって突出した凸状曲面を形成する。

好ましい実施形態において、前記プレート状部材は、外力に応じて柔軟に形状が変化する材料から形成されている。

好ましい実施形態において、前記プレート状部材は弾性体から形成されている。

好ましい実施形態において、前記プレート状部材の上面および下面の少なくとも一方と接触するプレートを更に備えている。

本発明によるＬＥＤ光源の製造方法は、基板の主面に少なくとも１つのＬＥＤ素子を実装する工程（Ａ）と、前記ＬＥＤ素子から放射された光を当該光の波長よりも長い波長の光に変換する蛍光物質を含み、前記ＬＥＤ素子の少なくとも一部を覆う光波長変換部を前記基板上に形成する工程（Ｂ）とを含むＬＥＤ光源の製造方法であって、前記工程（Ｂ）は、前記光波長変換部の側面に少なくとも１つの凹状曲面部分を形成する工程を含む。

好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ）は、前記光波長変換部を構成する材料の孤立パターンを前記基板上に形成する工程（ｂ１）と、前記孤立パターンの側面を変形させて前記凹状曲面部分を形成する工程（ｂ２）とを含む。

本発明のＬＥＤ光源によれば、蛍光物質を含有する光波長変換部の側面が凹状曲面部分を有しているため、ＬＥＤ素子および蛍光物質からの光の取り出し効率が向上し、光束が増加する。

以下、図面を参照しながら本発明によるＬＥＤ光源の実施形態を説明する。

まず、図１を参照する。図１は、第１の実施形態にかかるＬＥＤ光源１００の断面を示している。

図示されているＬＥＤ光源１００は、基板（実装基板）１１と、基板１１の主面（上面）にフリップチップ状態で実装された青色ＬＥＤ素子１２と、ＬＥＤ素子１２を覆う光波長変換部１３とを備えている。図１では、簡単のため、１個のＬＥＤ素子１２と、このＬＥＤ素子１２の全体を覆う１個の光波長変換部１３とを示しているが、現実のＬＥＤ光源１００は、基板１１の主面上に２次元アレイ状に配列された複数のＬＥＤ素子１２と、各々が対応する個々のＬＥＤ素子１２を覆う複数の光波長変換部１３とを備えていることが好ましい。ただし、本発明のＬＥＤ光源は、１つの基板上に単一のＬＥＤ素子および光波長変換部を有するものであってもよいし、また１つの光波長変換部１２が複数のＬＥＤ素子を覆っていても良い。

基板１１には不図示の配線が設けられており、ＬＥＤ素子１２は電極パッドなどを介して基板１１上の配線と電気的に接続されている。これにより、点灯回路（不図示）からＬＥＤ素子１２に電流が供給され、ＬＥＤ素子１２の発光が引き起こされる。配線を備える基板１１は、多層配線基板であってもよい。複数のＬＥＤ素子１２が実装される場合、基板１１は、放熱性に優れたメタルコンポジット基板を用いて作製されていることが望ましい。

光波長変換部１３は、青色ＬＥＤ素子１２から放射される青色光を黄色光に変換する蛍光物質を含む樹脂から形成されている。このような蛍光物質としては、例えば（Ｙ・Ｓｍ）₃（Ａｌ・Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ、（Ｙ_0.39Ｇｄ_0.57Ｃｅ_0.03Ｓｍ_0.01）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂などを用いることができる。光波長変換部１３を構成する樹脂は、例えばシリコーン樹脂部を主成分として含有しており、その屈折率ｎ１は約１．４である。

上述のように、本実施形態では青色光を発するＬＥＤ素子を使用しているが、本発明のＬＥＤ光源は、このようなＬＥＤ素子を用いる場合に限定されず、他の帯域にピーク波長を有するＬＥＤ素子を用いてもよい。その場合、光波長変換部に含有させる蛍光物質の種類を適宜変更または調整する必要がある。蛍光物質の種類は１つに限定されず、１つの光波長変換部内に複数種類の蛍光物質を混在させてもよい。また、同一基板上に実装された複数のＬＥＤ素子ごとに異なる種類の蛍光物質を用いても良い。なお、同一基板上にピーク波長の異なる複数種類のＬＥＤ素子を配列してもよい。

本実施形態の主たる特徴点は、光波長変換部１３の側面の形状にある。この点について、後に詳細を説明し、ここでは図１に示される他の構成要素を説明する。

本実施形態のＬＥＤ光源１００では、個々のＬＥＤ素子１２および光変調変換部１３から放射された光を受け、その光を基板主面に垂直な方向に偏向するように反射する面（反射面）を有する反射板１４が基板１１の主面に設けられている。反射板１４は、好ましくは複数の開口部を備えた金属プレートであり、個々の開口部の内側面が反射面として機能する。図１では、反射板１４の一部が図示されており、反射板１４の反射面は放物面形状を有している。反射板１４は、例えばアルミニウム（Ａｌ）から形成される。

本実施形態で特徴的な点は、反射板１４の反射面が光波長変換部１３の側面から離れている点にある。反射板１４の反射面と光波長変換部１３の側面との間に形成された隙間の大きさは、例えば１００μｍ〜１０ｍｍの範囲にある。

光波長変換部１３は、好適には樹脂から形成される透光性部材１５で覆われている。なお、「透光性」とは、光を透過し得ることを意味し、完全な透明である必要はない。本実施形態の透光性部材１５は凸レンズとして機能し、主としてエポキシ樹脂から構成されている。透光性部材１５の屈折率ｎ２は約１．６である（ｎ２＞ｎ１）。前述した反射板１４の反射面と光波長変換部１３の側面との「隙間」は、透光性部材で埋められている。このため、ＬＥＤ素子１２または光波長変換部１３の内部から発せられた光は、光波長変換部１３と透光性部材１５との界面を透過してから、反射板１４の反射面に到達して反射される。

図１に示されている構造は、ＬＥＤ素子１２を除いて、直線Ａに関して軸対象である。ＬＥＤ素子１２は、典型的には直方体の形状を有している。ＬＥＤ素子１２は、例えば、厚さ：約６０μｍ、上面：０．３ｍｍ×０．３ｍｍのサイズを有している。

本実施形態では、ＬＥＤ素子１２のフリップチップ実装が行なわれているために、リードワイヤが不要であり、このため、蛍光物質を含む光波長変換部１３の形成が容易になる。光波長変換部１３の好ましい形成方法については、後述する。

次に、図１に示すＬＥＤ光源１００の動作を説明する。

ＬＥＤ素子１２から放射された光の一部は、光波長変換部１３の蛍光物質に吸収され、より波長の長い光（黄色光）として蛍光物質から放射される（波長変換）。この結果、ＬＥＤ素子１２から放射された青色光と黄色光とが混ざった光（白色光）が光波長変換部１３の表面から外部に出射される。この白色光は、透光性部材１５を通ってＬＥＤ光源１００の外部に出射されるため、透光性部材１５のレンズ効果により、集光作用を受ける。前述したように、光波長変換部１３の表面から出射された光の一部は、隣接するＬＥＤ素子（不図示）の光波長変換部に吸収されることなく、反射板１４で反射されるため、反射板１４を設けない場合に比べて光の利用効率（取り出し効率）が向上する。

以下、図２を参照しながら、光波長変換部１３の形状を詳しく説明する。図２は、図１の光波長変換部１３を拡大して詳しく示す断面図である。図２では、簡単のため、透光性部材１５および反射板１４の記載を省略している。

図２に示すように、本実施形態の光波長変換部１３は、基板１１の主面に接する面を底面とする略円錐台形状を有している。本実施形態では、図２に示されるように、光波長変換部１３の上面１３１（基板１１に対向する第１樹脂部の面）と、側面１３２（基板１１の主面に接している底面および上面１３１を除いた面）が、ともに凹状曲面部分を有している。ここで、「凹状」とは、光波長変換部１３の表面がＬＥＤ素子１２の位置する方向に窪んである形状を意味している。

図１２は、光波長変換部の側面に形成された凹状曲面部分の形状を規定するパラメータを示している。簡単のため、図１２では、概略的には円柱形状を有する光波長変換部の断面が示されており、その上面も平坦である。図１２では、凹状曲面部分が無いと仮定した場合の仮想的な側面（以下、「基準面」と称する）の位置を破線Ｈで示している。本明細書では、凹状曲面部分の表面上において前記基準面から最も離れた点（最深点）と基準面との間の距離ｄを「凹状曲面部分の深さ」と称することとする。なお、この距離（深さ）ｄを規定する直線は、上記の最深点を通る直線のうち、基準面Ｈに垂直な直線（垂線）である。

なお、図１２には、凹状曲面部分の曲率Ｒと、光波長変換部の高さｔも示されている。これらのパラメータｄ、Ｒ、およびｔにより、凹状曲面部分の形状的特徴を表現することができる。

再び図２を参照する。図２に示す光波長変換部１３は、その上面１３１の直径が約０．７ｍｍ、底面の直径が約０．８ｍｍである。上面１３１および側面１３２の凹部は、それぞれ、図中の点線で示す仮想円錐台の表面から、０．０５ｍｍの深さを有している。なお、光波長変換部１３は、前述したように、図１の直線Ａに関して軸対称の形状を有している。

凹状曲面部分は、典型的には、なだらかな曲面であることが好ましいが、表面に微視的な凹凸（表面粗さＲａ：約０．２×ｄ以下）が形成されていてもよい。

図７（ａ）は、シリコーン樹脂から形成した光波長変換部１３の外観を示す写真であり、図７（ｂ）は、シリコーン樹脂から形成した他の光波長変換部１３の側面を示す写真である。図７（ａ）に示す光波長変換部１３は、概略円錐台の形状を有しているが、図７（ｂ）に示す光波長変換部１３は、概略円柱の形状を有している。いずれの光波長変換部１３も、その側面に凹状曲面が形成されている。図７（ｂ）には、光波長変換部の「最低高さ」と「最高高さ」が記載されている。平均厚さが０．５ｍｍを下回る大きさの光波長変換部を樹脂から形成する場合、図７（ｂ）に示すように、樹脂の厚さが場所によって変化し、その結果、基板主面を基準にしたときの光波長変換部の上面の高さにばらつきが生じる場合があるが、このことは特に問題を引き起こさない。

このように、本実施形態の光波長変換部１３の側面（および上面）には、凹状の曲面が意図的に形成されている。本発明者の実験や計算機シミュレーションによると、この曲面の存在が光の利用効率を高め、光束を増加させることがわかった。

この曲面を規定するため、図２に示す断面形状の曲率を考える。この曲率は、基板１１の主面に垂直な平面によって光波長変換部１３の側面（凹部が存在する領域）を横切るように切り取った光波長変換部の断面に基づいて計測される。図２に示される光波長変換部１３の断面には、側面の凹状曲面に対応する曲線が現れている。この曲線の曲率半径Ｒを光波長変換部１３の厚さｔで割った値Ｒ／ｔは、０．５以上８．５以下の範囲内にあることが好ましい。その理由は、値Ｒ／ｔが８．５を超えて大きくなると、光波長変換部１３の側面に凹状曲面を設けていない従来のＬＥＤ光源との差異が実質的に無くなるからである。また、値Ｒ／ｔが０．５を下まわって小さくなると、光の利用効率が却って小さくなるからである。この値Ｒ／ｔは１．１以上 ３．７以下の範囲内にあることが更に好ましい。

なお、光波長変換部１３の側面における凹部の深さｄを光波長変換部１３の厚さｔで割った値ｄ／ｔは０．０３以上０．５以下の範囲内にあることが好ましい。厚さｔは、ＬＥＤ光源によって桁が変わる程大きく変化しないため、典型的なＬＥＤ光源では、光波長変換部１３の側面に形成される凹部の深さｄは、０．０１ｍｍ以上０．１７ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

図２に示す上記の曲線は、完全な円弧である必要はないが、変極点を有しない緩やかな曲線であることが好ましい。ただし、光波長変換部の側面の一部に突起や凹部が形成されていても、全体として凹状の曲面が形成されていれば問題ない。

（製造方法の実施形態１）
次に、図８（ａ）から（ｅ）を参照しつつ、本発明によるＬＥＤ光源を製造する方法の第１の実施形態を説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、ＬＥＤ素子１２が実装された基板１１の主面に印刷用孔版２０を接触させる。印刷用孔版２０は、図９に示すように、複数の開口部１９が設けられたブレート状の部材である。各開口部１９の位置および形状は、基板１１上に実装されたＬＥＤ素子１２のうちの対応する素子を取り囲むように形成されている。図９に示す印刷用孔版の開口部１９は、円柱形状の空間によって規定されている。

次に、図８（ｂ）に示すように、蛍光物質を含有する樹脂（蛍光体樹脂）１６を印刷用孔版２０上に供給し、この蛍光体樹脂１６をスキージ１７によって押圧しながら印刷用孔版２０の上面を走査する。その結果、印刷用孔版２０の開口部１９の内部は蛍光体樹脂１６で埋め込まれる。

本実施形態では、粘度の高い樹脂材料から蛍光体樹脂１６を形成している。このため、図８（ｃ）に示すように印刷用孔版２０を基板１１から離すと、図８（ｄ）に示すように、基板１１上には蛍光体樹脂１６からなる樹脂パターン１３’が形成される。樹脂パターン１３’は、最終的に光波長変換部１３となるものであるが、この状態では、その側面に凹状曲面部は形成されていない。

次に、本実施形態では、図８（ｅ）に示すように、樹脂パターン１３’の側面を押圧部材２１で力を加えることにより、樹脂パターン１３’の側面を窪ませ、凹状曲面部を形成する。こうして、側面に凹状曲面部を有する光波長変換部１３を形成することができる。

樹脂パターン１３’の側面に力を加えるとき、樹脂パターン１３’の上面も変形し、下方に窪んだ凹状曲面が形成される場合がある。本実施形態における樹脂パターン１３’の硬化は、印刷用孔版２０を基板１１から離した後に行っているが、硬化のタイミングや条件は用いる樹脂に応じて最適化される。

（製造方法の実施形態２）
次に、図１０（ａ）から（ｄ）を参照しつつ、本発明によるＬＥＤ光源を製造する方法の第２の実施形態を説明する。

まず、図１０（ａ）に示すように、ＬＥＤ素子１２が実装された基板１１の主面に印刷用孔版１２０を接触させる。印刷用孔版１２０の上面は、図９に示す印刷用孔版２０と同様の形態を有している。ただし、本実施形態で使用する印刷用孔版１２０の断面構造は、印刷用孔版２０の断面構造とは大きく異なっている。具体的には、印刷用孔版１２０は、金属などの比較的剛性の高い材料から形成された２枚のプレート１２１、１２３と、これらのプレート１２１、１２３の間に挟まれた弾力性に富むゴムからなる弾性体層１２２とを備えている。この印刷用孔版１２０には、印刷用孔版２０と同様に、複数の開口部（貫通孔）１９が設けられている。

次に、図１０（ｂ）に示すように、蛍光体樹脂１６を印刷用孔版１２０上に供給し、この蛍光体樹脂１６をスキージ１７によって押圧しながら印刷用孔版１２０の上面を走査する。このとき、印刷用孔版１２０には縦方向に圧力を印加することにより、弾性体層１２２が厚さ方向に圧縮され、それによって各開口部１９の側面を開口部の中心側に向けて凸状に押し出す。その状態で開口部１９内に蛍光体樹脂１６を供給し、印刷用孔版１２０の開口部１９の内部を蛍光体樹脂１６で埋め込む。

本実施形態でも、粘度の高い樹脂材料（シリコーンを主成分とする樹脂）から蛍光体樹脂１６を形成しているため、図１０（ｃ）および（ｅ）に示すようにして基板１１から印刷用孔版１２０を離すと、基板１１上には側面に凹状曲面が形成された光波長変換部１３が形成される。

本実施形態では、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、中間層としてゴムなどの弾性体から形成された層（部材）を有する印刷用孔版１２０を用い、圧力の印加によって開口部の形状を変形し、それによって凹状曲面部を側面に有する光波長変換部を形成しているが、本発明は、このような場合に限定されない。例えば、図１１（ｃ）および（ｄ）に示すように、剛性が相対的に高いプレート１２１を弾性体層１２２の上面側のみに設けた２層構造の印刷用孔版１２５を用いてもよい。

また、プレート１２１を弾性体層１２２の下面側のみに設けた２層構造の印刷用孔版や、弾性体層１２２のみからなる印刷用孔版を用いても良い。更に、弾性体層１２２の代わりに、内部に流体を保持して変形しやすくした構造物や、他の変形しやすい材料を用いて印刷用孔版を形成してもよい。なお、本実施形態１および２で用いた樹脂は、熱硬化性を有するものであるが、上記の加工工程後に加熱処理（例えば１２０℃で１時間保持する熱処理）を行なうことによって硬化させることができる。その後、レンズ樹脂は、例えばトランスファーモールド加工によって成型される。

なお、本発明における光波長変換部の形成方法は、上述した実施形態に係る方法に限定されない。

以下、本発明のＬＥＤ光源および従来のＬＥＤ光源から放射される光束について、行なった計算機シミュレーションを説明する。

図３は、従来のＬＥＤ光源の構成を示している。図３に示すＬＥＤ照明光源３００において、円筒状樹脂部６０以外の構成要素は、図１に示す本実施形態のＬＥＤ照明光源１００の構成要素と同様の構造を有している。この円筒状樹脂部６０が、本実施形態における光波長変換部１３と大きく異なる点は表面の形状にある。すなわち、従来の円筒状樹脂部６０は、基板１１と接する面を底面とする円筒形状を有しており、その上面および側面には凹状曲面部分が形成されていない。なお、円筒形状の側面は、「曲面」であるが、凸状であって凹状ではない。

＜シミュレーション結果１＞
ＬＥＤ光源１００から放射される光束を計算機によるシミュレーションで求めた。シミューションの条件は、以下の通りである。

（シミュレーション条件）
・基板１１の反射率：０．５
・反射板１４の反射率：０．８２
・光波長変換部１３から単位表面積あたり同じで、均一な光束が全方向に放射される。
・光波長変換部１３の屈折率ｎ１：１．４
・透光性部材１５の屈折率ｎ２：１．６
・透光性部材１５：半球形状
・透光性部材１５の透過率：９６％／ｍｍ
・光波長変換部１３の表面からの総光線数は２０万本（第１樹脂部を光源と仮定）

また、光波長変換部１３には、以下の４種類の形状を付与した。

形状番号１：略円錐台形状の上面と側面の両方に凹状曲面を有する形状（図２に示す形状）
形状番号２：略円錐台形状の上面１３１だけが凹状曲面を有する形状（不図示）
形状番号３：略円錐台形状の側面１３２だけが凹状曲面を有する形状（不図示）
形状番号４（比較例）：凹無しの円錐台形状（図３に示す円筒状樹脂部６０を円錐台形状に変更した構造に相当する）。

以上の条件でＬＥＤ光源１００から放射される光束を計算した。計算によって得られた光束の値は、形状番号４で示される比較例の光束を１００として規格化した。規格化後の光束を以下の表１に示す。

表１からわかるように、光波長変換部の上面または側面に凹状曲面部を形成することにより、光束が増加する。光束は、凹状曲面部を光波長変換部の上面に形成することによって３％増加し、光波長変換部の側面に形成することによって４％向上する。光波長変換部の上面および側面の両方に凹状曲面部を形成すると、１０％もの光束向上効果を得ることができる。

＜シミュレーション結果２＞
次に、上記のシミュレーションを行なった条件と略同様の条件のもと、光波長変換部１３内に仮想的な発光点を規定し、その発光点から等方的に放射された光が形成するＬＥＤ光源の光束を計算した。計算によって得られた光束の値は、形状番号４で示される比較例の光束を１００として規格化した。

（シミュレーションの条件）
・光線数は各発光点で２０万本
・計算した発光点は、図４に示すように、光波長変換部１３の中心と光波長変換部１３の側面側近傍との２箇所
・その他の条件は、シミュレーション結果１と同じ。

シミュレーション結果を表２に示す。

表２から、光波長変換部１３内のどの位置に仮想的な発光点が存在しても、光波長変換部１３の側面および上面の何れか一つの面に凹状曲面部を形成することにより、光束増大効果の得られることがわかる。

＜シミュレーション結果の分析＞
以下、上記のシミュレーション結果を考察する。

光波長変換部１３（ｎ１＝１．４１）から放射された光が、透光性部材１５（屈折率ｎ２＝１．５５）に入射する場合、すなわち、ｎ１＜ｎ２ ・・・（式１）が成立する場合、臨界角は存在せず、全反射は存在しない。したがって、光波長変換部１３からの放射光はすべて、透光性部材１５内に透過するので、光波長変換部１３と透光性部材１５との界面での光のロスはないと考えられる。

本実施形態のように光波長変換部１３と透光性部材１５との界面に凹状曲面が形成されている場合、その界面でレンズ効果が発生する。このため、光波長変換部１３から放出された光の集光性が高まり、透光性部材１５内での迷光が減少する結果、光束が増加するのではないかと考える。透光性部材１５の迷光が減ると、透光性部材１５からの光取り出し効率が向上し、結果としてＬＥＤ光源からの光束が増えるからである。

以上のように、光波長変換部１３の側面に凹状曲面部を形成することにより、光の取り出し効率が向上するという効果を得ることができる。

本実施形態は、光波長変換部１３が略円錐台形状を有しているが、光波長変換部１３の形状は、このような形状に限定されず、側面に凹状曲面が形成されていれば、光取り出し効率向上の効果を得ることができる。

なお、ＬＥＤ素子１２の中心から蛍光物質を含んだ光波長変換部１３の端までの基板１１に略平行な距離が略等しい場合、光波長変換部１３内での蛍光物質による波長変換が略均一に行なわれるため、蛍光物質からの放射光が均一となり、ＬＥＤ光源１００からの放射光の色ムラを低減することがもできる。このような光波長変換部１３の形状の例を図５および図６に示す。図５および図６では、簡単のため、透光性部材１５および反射板１４の記載を省略している。

図５（ａ）は、ＬＥＤ光源５００の上面概略図であり、図５（ｂ）は、ＬＥＤ光源５００の側面概略図である。ＬＥＤ光源５００における光波長変換部１３は、略円柱形状を有しているが、その上面および側面に凹状曲面部が形成されている。

図６（ａ）は、ＬＥＤ光源６００の上面概略図であり、図６（ｂ）は、ＬＥＤ光源６００の側面概略図である。ＬＥＤ光源９００における光波長変換部１３は、略四角錘台の形状を有しているが、その斜辺の角は丸められている。光波長変換部１３の上面および側面には、凹状曲面部が形成されている。

本発明の光波長変換部の基本形状は、上述した形状に限定されず、例えば、略五角錘台、略六角錐台であってもよい。なお、いずれの場合でも、光波長変換部１３の略底面の略中心部にＬＥＤ素子１２が配置されることが好ましい。

一般に、光波長変換部１３の表面積のうち、凹状曲面部の面積比率が大きいほど、光の取り出し効率が上昇する。このため、光波長変換部１３の全表面のうち、より広い領域に凹状曲面が形成されることが好ましい。

透光性部材１５は、凸レンズとして機能しているが、透光性部材１５は、種々の用途に応じて必要とされる光学的な機能を発揮する形状であれば、他の形状を有していてもよい。

本実施形態では、反射板１４を基板１１の主面に設けているが、反射面を基板の主面に直接的に形成してもよい。反射構造は、光束の指向性を高められるものであれば、任意である。

本実施形態では、シリコーン樹脂を主成分とする樹脂材料から光波長変換部１３を形成し、エポキシ樹脂を主成分とする樹脂材料からまた透光性部材１５を形成しているが、他の材料から光波長変換部１３および透光性部材１５を形成してもよい。

色ムラを少なくするためには、ＬＥＤ素子１２の中心と光波長変換部１３の中心とを一致させることが好ましい。光の取り出し効率を向上させ、ＬＥＤ光源から放射される光のムラを更に少なくするためには、ＬＥＤ素子１２の中心、光波長変換部１３の中心、反射板１４の開口部の中心、および透光性部材１５の中心の全てを一致させることが好ましい。

本発明のＬＥＤ光源は、光取り出し効率が高く、照明器具その他の各種装置における光源として有用である。

本発明の好ましい実施形態にかかるＬＥＤ光源１００の概略断面図である。 ＬＥＤ光源１００が備える光波長変換部１３を拡大した断面図である。 従来のＬＥＤ光源３００を示す概略断面図である。 シミュレーション結果を求める際の発光点の位置を示す概略図である。 （ａ）は、光波長変換部１３の形状の一例を示す上面図であり、（ｂ）は、その断面図である。 （ａ）は、光波長変換部１３の形状の他の例を示す上面図であり、（ｂ）は、その断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、樹脂から形成された光波長変換部１３の具体例を示す写真である。 （ａ）から（ｅ）は、本発明によるＬＥＤ光源を製造する方法の第１の実施形態を示す工程断面図である。 本発明の実施形態で好適に用いられる印刷用孔版を示す上面図である。 （ａ）から（ｄ）は、本発明によるＬＥＤ光源を製造する方法の第２の実施形態を示す工程断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１０（ａ）に示す印刷用孔版１２０の構成および動作を示す断面図であり、（ｃ）および（ｄ）は、他の印刷用孔版１２５の構成および動作を示す断面図である。 光波長変換部における凹状曲面部の形状を規定するパラメータを模式的に示す図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ ＬＥＤ素子
１３ 光波長変換部
１３’ 樹脂パターン
１４ 反射板
１５ 透光性部材
２０ 印刷用孔版
６０ 円筒形樹脂部
１２０ 印刷用孔版
１２５ 印刷用孔版

Claims (8)

1. 基板の主面に実装された少なくとも１つのＬＥＤ素子と、
   前記ＬＥＤ素子から放射された光を当該光の波長よりも長い波長の光に変換する蛍光物質を含み、前記ＬＥＤ素子の上面及び側面を覆う光波長変換部と、
   前記光波長変換部の側面及び上面を覆い、かつ、凸状曲面部分を有し、樹脂から構成されている透光性部材と、
   前記光波長変換部の前記側面から離隔された反射面と
   を備えるＬＥＤ光源であって、
   前記透光性部材に覆われている前記光波長変換部の側面は、凹状曲面であり、
   前記凹状曲面は、前記光波長変換部の側面の表面が前記ＬＥＤ素子の方向に窪んでいる凹状曲面であり、
   前記透光性部材の屈折率は前記光波長変換部の屈折率よりも大きく、
   前記透光性部材は、前記光波長変換部の前記側面と前記反射面との隙間を埋めており、
   前記基板の主面に垂直な平面によって前記光波長変換部の前記凹状曲面を横切るように切り取った前記光波長変換部の断面は、前記凹状曲面に対応する曲線を含む外形を有しており、前記曲線の曲率半径Ｒを前記光波長変換部の厚さｔで割った値Ｒ／ｔは０．５以上８．５以下の範囲内にある、
   ＬＥＤ光源。
2. 前記透光性部材は、レンズとして機能する請求項１に記載のＬＥＤ光源。
3. 前記光波長変換部は、前記蛍光物質を含有する樹脂から形成されている請求項１に記載のＬＥＤ光源。
4. 前記光波長変換部の前記凹状曲面の深さｄを前記光波長変換部の厚さｔで割った値ｄ／ｔは０．０３以上０．５以下の範囲内にある、請求項１から３のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
5. 前記光波長変換部の前記凹状曲面の深さｄは０．０１ｍｍ以上０．１７ｍｍ以下の範囲内にある、請求項４に記載のＬＥＤ光源。
6. 前記光波長変換部は、略円柱形状を有し、前記略円柱形状の側面が前記凹状曲面を形成している、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
7. 前記光波長変換部は、略円錐台形状を有し、前記略円錐台形状の側面が前記凹状曲面を形成している、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
8. 基板の主面に配列された複数のＬＥＤ素子と、
   前記複数のＬＥＤ素子の各々の側面を取り囲み、かつ、前記光波長変換部の前記側面から離隔された複数の反射面と、
   前記ＬＥＤ素子から放射された光を当該光の波長よりも長い波長の光に変換する蛍光物質を含み、各々が、対応する各ＬＥＤ素子を覆う複数の光波長変換部と、
   各々が、対応する光波長変換部を覆い、かつ、凸状曲面を有し、樹脂から構成されている複数の透光性部材と、
   を備えるＬＥＤ光源であって、
   前記透光性部材に覆われている少なくとも一部である、各光波長変換部の側面は、凹状曲面であり、
   前記凹状曲面は、前記光波長変換部の側面の表面が前記ＬＥＤ素子の方向に窪んでいる凹状曲面であり、
   前記透光性部材は、前記光波長変換部の前記側面と前記反射面との隙間を埋めており、
   前記透光性部材の屈折率は前記光波長変換部の屈折率よりも大きく、
   前記透光性部材は、前記光波長変換部の前記側面と前記反射面との隙間を埋めており、
   前記基板の主面に垂直な平面によって前記光波長変換部の前記凹状曲面を横切るように切り取った前記光波長変換部の断面は、前記凹状曲面に対応する曲線を含む外形を有しており、
   前記曲線の曲率半径Ｒを前記光波長変換部の厚さｔで割った値Ｒ／ｔは０．５以上８．５以下の範囲内にある、
   ＬＥＤ光源。