JP5165489B2 - 拡散レンズ及びそれを用いた発光素子組立体 - Google Patents

Description

本発明は、拡散レンズ及びそれを用いた発光素子組立体に関するものであって、より詳細には、拡散レンズの両側端平面部に凹凸状の屈折部を設け、発光素子から発散される光の拡散特性を向上させることができる、拡散レンズ及びそれを用いた発光素子組立体に関するものである。

一般に、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は，半導体のｐ−ｎ接合構造を用いて注入された少数キャリア（電子または正孔）が多数キャリアと再結合することによって発光する電子部品である。具体的には、特定元素の半導体に順方向電圧を加えると、陽極と陰極との接合部分を介して電子と正孔が移動しつつ互いに再結合し、その際発生するエネルギー差、すなわちそれら電子及び正孔が離れている時よりも小さなエネルギー差によって光を放出する。

このような発光ダイオードは、低電圧で高効率の光を照射することができ、家電製品、リモコン、電光板、表示器及び各種自動化機器などに使われてきている。

特に、情報通信機器の小型化、スリム化の傾向に伴って、機器の各種部品である抵抗、コンデンサ、ノイズフィルタなどは更に小型化されており、発光ダイオードも印刷回路基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）に直接実装できるよう、表面実装素子（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ：ＳＭＤ）型に作られている。

表示素子として用いられているＬＥＤランプもまた、そのようなＳＭＤ型として開発されている。このような表面実装素子は、既存の単純な点灯ランプを代替することができ、多様な色を出す点灯表示紙、文字表示器及び映像表示器などとして使われる。

前述のように、発光ダイオードの応用範囲が広くなっている一方、要求される輝度の効率性も益々高くなっており、それに対する工夫が行われてきている。

以下、関連図面を参照して、従来技術による拡散レンズ付き発光素子組立体について説明する。

図１は、従来技術による発光素子組立体の断面図であり、図２は図１の発光角度を示したグラフである。まず、図１に示すように、従来の発光素子組立体は、発光素子パッケージ１０と、発光素子パッケージ１０上に取り付けられた拡散レンズ２０とから成る。

また、発光素子パッケージ１０は、発光素子１２が実装される枠１１と、枠１１の折曲部にモールド処理された樹脂１３とから構成される。

また、拡散レンズ２０は、凸形状であり、発光素子パッケージ１０の上部及び両側部を覆いかぶせるように設けられる。

このような構成の発光素子組立体において、発光素子１２の発散光の角度（θ）は、図２に示すように、＋８０゜から−８０゜までの約１６０゜の範囲に及ぶことを分かる。

しかしながら、従来の発光素子組立体では、中央部より両側部の厚さがより厚い拡散レンズ２０が、発光素子パッケージ１０の両側部まで全て覆いかぶせるように設けられることから、小型化及びスリム化に限界があるという問題があった。

本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであって、拡散レンズの両側端平面部に凹凸状の屈折部を設け、発光素子から発散される光の拡散特性を向上させることができる、拡散レンズ及びそれを用いた発光素子組立体を提供することを目的の一つとする。

上記目的を解決するために、本発明による拡散レンズは、発光素子からの発散光が入射する第１のレンズ面と、前記第１のレンズ面を介して入射した光を外部に拡散させる第２のレンズ面と、前記第１のレンズ面及び第２のレンズ面の各々の両側端に延び、凹凸状に設けられ、前記発光素子からの発散光を屈折させる屈折部と、前記第２のレンズ面の両側端に延設され、屈折部と発光素子とを隔てる支持部とを含むことができる。

また、前記屈折部は、Ｖ字形、菱形または円錐形より選ばれるいずれか一つの凹凸状でもよく、前記第１のレンズ面の曲率半径は、第２のレンズ面の曲率半径より小さなことが望ましい。

また、前記拡散レンズは、光学ガラスまたは光学合成樹脂から成り、前記光学ガラスはＢＫ７またはＳＫ５から成り、前記光学合成樹脂はポリカーボネート樹脂またはアクリル樹脂から成ってもよい。

また、上記目的を解決するために、本発明による拡散レンズを用いた発光素子組立体は、発光素子が実装された発光素子パッケージとそれから発散される光を拡散させる拡散レンズとからなることができ、前記拡散レンズは、前記発光素子からの発散光が入射する第１のレンズ面と、前記第１のレンズ面を介して入射した光を外部に拡散させる第２のレンズ面と、前記第１のレンズ面及び第２のレンズ面の各々の両側端に延び、凹凸状に設けられ、前記発光素子からの発散光を屈折させる屈折部と、前記第２のレンズ面の両側端に延設され、屈折部と発光素子パッケージとを隔てる支持部とを含むことができる。

また、前記拡散レンズの屈折部は、Ｖ字形、菱形または円錐形より選ばれるいずれか一つの凹凸状でもよく、前記第１のレンズ面の曲率半径は、第２のレンズ面の曲率半径より小さくてもよい。

また、前記拡散レンズは、光学ガラスまたは光学合成樹脂から成り、前記光学ガラスはＢＫ７またはＳＫ５から成り、前記光学合成樹脂はポリカーボネート樹脂またはアクリル樹脂から成ってもよい。また、前記発光素子として、ＬＥＤを用いることができる。

本発明によれば、拡散レンズの両側端平面部に凹凸状の屈折部を設けているので、発光素子から発散される光の拡散特性を向上させることができるという効果を奏する。

また、該拡散レンズの厚さ及び大きさを減らすことによって、発光素子組立体を小型化及びスリム化することができるという効果を奏する。

この発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになる。

＜拡散レンズ＞
以下、関連図面を参照して、本発明の一実施の形態による拡散レンズについて詳述する。図３は、本発明による拡散レンズの断面図である。まず、図３に示すように、本発明による拡散レンズ１２０は、発光素子（図示せず）からの発散光が入射する第１のレンズ面１２１と、第１のレンズ面１２１を介して入射した光を外部に拡散させる第２のレンズ面１２２と、第１のレンズ面１２１及び第２のレンズ面１２２の各々の両側端に延び、凹凸状に設けられ、発光素子１１２（図４参照）からの発散光を屈折させる屈折部１２３とを含むことができる。

ここで、第１のレンズ面１２１は、後述の発光素子パッケージ１１０が収容できるように、その中央部が凸状に設けられ、発光素子パッケージ１１０から発散される光を受ける。

また、第２のレンズ面１２２は、第１のレンズ面１２１と対応するように設けられ、中央部が凸になり、両側端部に向かって第１のレンズ面１２１との距離が長い。即ち、拡散レンズ１２０の第１のレンズ面１２１の曲率半径は、第２のレンズ面１２２の曲率半径より小さなことが望ましい。

また、第１のレンズ面１２１及び第２のレンズ面１２２の両側端には、凹凸状の屈折部１２３が設けられる。屈折部１２３はＶ字形、菱形または円錐形より選ばれるいずれか一つの凹凸状に設けられることができ、拡散レンズ１２０の下端両側部の全面または第１のレンズ面１２１と繋がる一面に設けられることができる。

また、拡散レンズ１２０は、光学ガラスまたは光学合成樹脂により形成されることが望ましい。この際、光学ガラスとしてはＢＫ７またはＳＫ５を用いることができ、光学合成樹脂としてはポリカーボネート樹脂（ｐｏｌｙ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）またはアクリル樹脂（ｐｏｌｙ ｍｅｔｈｙｌ ａｃｒｙｌａｔｅ）を用いることができる。

特に、第２のレンズ面１２２の両側端には、下方に延設された支持部１２４をさらに含むことができる。

＜拡散レンズを用いた発光素子組立体＞
図４及び図５は各々、本発明による発光素子組立体の断面図であり、図６は、本発明による発光素子組立体の発光角度を示したグラフである。

まず、図４に示すように、本発明による発光素子組立体１００は、発光素子１１２が実装された発光素子パッケージ１１０と、該発光素子パッケージ１１０から発散される光を拡散させるための拡散レンズ１２０とから構成されることができる。

ここで、発光素子パッケージ１１０は、発光素子１１２が実装されるように中央部が所定深さに欠けた凹部１１１ａが設けられた枠１１１と、発光素子１１２が実装された枠１１１の上部を充填するモールディング部１１３とから構成されることができる。ここで、発光素子１１２は、ＬＥＤであることが望ましい。

そして、発光素子パッケージ１１０の上部には、前述の拡散レンズ１２０が配置される。拡散レンズ１２０は、発光素子１１２が実装された枠１１１の凹部１１１ａの上部両側面の内側に第１のレンズ面１２１が位置するようにし、発光素子パッケージ１１０の両側面には支持部１２４が位置するようにする。

特に、第１のレンズ面１２１と第２のレンズ面１２２との両側端部間に設けられた屈折部１２３は、枠１１１の凹部１１１ａの上部側端上に位置するようにしなければならない。

その理由は、発光素子１１２を介して発散される光が屈折部１２３を介して屈折することができるようにするためであり、凹部１１１ａの上部側端上に位置することが望ましい。

また、支持部１２４は、発光素子パッケージ１１０の両側面に位置し、拡散レンズ１２０の屈折部１２３が枠１１１の上面と当接しない程度の高さを有することが望ましい。

このような構成の発光素子組立体１００は、発光素子パッケージ１１０の両側面まで拡散レンズ１２０が位置する従来とは異なり、発光素子パッケージ１１０上にのみ大きさの減った拡散レンズ１２０を位置させ、両側面には支持部１２４を位置させることによって、小型化及びスリム化することができるという長所がある。

また、図５に示すように、本発明の発光素子組立体１００は、発光素子１１２から発散される光が拡散レンズ１２０の屈折部１２３によって屈折して全反射されるので、小型化及びスリム化によって光輝度が低下する範囲の輝度を向上させることができる。

即ち、図６に示すように、本発明による発光素子組立体１００は、発光素子１１２の発光角（θ）が＋８０゜から−８０゜まで、即ち、約１５５ｄｅｇの範囲において従来のような輝度を維持することができるようになり、小型化及びスリム化に伴う発光効率を向上させることができるという利点がある。

<発光素子組立体の応用例１>
図７は、本発明による発光素子組立体の応用例１を示した断面図である。本発明による発光素子組立体を用いた応用例１は、前述の構造になされた多数の発光素子組立体１００が、所定の回路パターン（図示せず）が設けられた基板２１０上に実装される。

ここで、基板２１０の下部には、発光素子組立体１００により発生する熱を放熱するための放熱板２２０が配置される。この放熱板２２０は、その下部に、放熱の効率を向上させるべく、板状に設けられた多数の放熱片２３０をさらに備えることができる。

前述の構成になされた発光素子組立体１００の応用例１は、強熱な光が要求される電灯や携帯用電灯に用いられることができる。

<発光素子組立体の応用例２>
図８は，本発明による発光素子組立体の応用例２を示した断面図である。本発明による発光素子組立体の応用例２は、発光素子組立体１００を所定の回路パターン（図示せず）が設けられた基板３３０上に実装させ、発光素子組立体１００の実装された多数の基板３３０を互いに並列連結して、筺体３１０に固定結合させる。

ここで、基板３３０上には、発光素子組立体１００に加えて、前記発光素子組立体とマッチ可能な多数の受動素子３３１が設けられてもよい。また、多数の基板３３０が並列連結された筺体３１０の上部は、透明材質の拡散板３２０が取り付けられてもよい。

このような構成の本発明による発光素子組立体１００の応用例２は、蛍光灯、照明、街路上の看板など、多様に用いられることができる。

<発光素子組立体の応用例３>
図９は，本発明による発光素子組立体の応用例３を示した断面図である。本発明による発光素子組立体１００の応用例３は、発光素子組立体１００の実装された多数の照明用筺体４１０と、照明用筺体４１０を固定するための固定棒４２０と、固定棒４２０を支持するための支持棒４３０と、支持棒４３０を地面に固定結合させるための支持台４５０とから成ることができる。

ここで、支持棒４３０には、照明用筺体４１０内に実装された発光素子組立体１００に所定の駆動電源を供給するための給電部４４０をさらに備えてもよい。

上記構成の本発明による発光素子組立体を用いた応用例３は、街路周辺に備えられる街灯、または行事場の照明に用いることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

従来技術による発光素子組立体の断面図である。 図１の発光角度を示したグラフ図である。 本発明による拡散レンズの断面図である。 本発明による発光素子組立体の断面図である。 本発明による発光素子組立体の断面図である。 本発明による発光素子組立体の発光角度を示したグラフ図である。 本発明による発光素子組立体の応用例１を示した断面図である。 本発明による発光素子組立体の応用例２を示した断面図である。 本発明による発光素子組立体の応用例３を示した断面図である。

符号の説明

１００ 発光素子組立体
１１０ 発光素子パッケージ
１１１ 枠
１１２ 発光素子
１１３ モールディング部
１２０ 拡散レンズ
１２１ 第１のレンズ面
１２２ 第２のレンズ面
１２３ 屈折部
１２４ 支持部

Claims (13)

1. 発光素子からの発散光を拡散させる拡散レンズにおいて、
   中央部が凸状に形成され、前記発光素子からの発散光が入射する第１のレンズ面と、
   前記第１のレンズ面と対応するように中央部が凸状に形成され、前記第１のレンズ面を介して入射した光を、外部に拡散させる第２のレンズ面と、
   前記第１のレンズ面及び第２のレンズ面の各々の両側端に延び、凹凸状に設けられ、前記発光素子からの発散光を屈折させる屈折部と、
   前記第２のレンズ面の両側端に延設され、前記屈折部と前記発光素子とを隔てる支持部と、を含む拡散レンズ。
2. 前記屈折部が、Ｖ字形、菱形または円錐形より選ばれるいずれか一つの凹凸状であることを特徴とする請求項１に記載の拡散レンズ。
3. 前記第１のレンズ面の曲率半径が、前記第２のレンズ面の曲率半径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の拡散レンズ。
4. 前記拡散レンズが、光学ガラスまたは光学合成樹脂から成ることを特徴とする請求項１に記載の拡散レンズ。
5. 前記光学ガラスが、ＢＫ７またはＳＫ５から成ることを特徴とする請求項４に記載の拡散レンズ。
6. 前記光学合成樹脂が、ポリカーボネート樹脂またはアクリル樹脂から成ることを特徴とする請求項４に記載の拡散レンズ。
7. 発光素子が実装された発光素子パッケージとそれから発散される光を拡散させる拡散レンズとからなる発光素子組立体であって、
   前記拡散レンズが、
   中央部が凸状に形成され、前記発光素子からの発散光が入射する第１のレンズ面と、
   前記第１のレンズ面と対応するように中央部が凸状に形成され、前記第１のレンズ面を介して入射した光を、外部に拡散させる第２のレンズ面と、
   前記第１のレンズ面及び第２のレンズ面の各々の両側端に延び、凹凸状に設けられ、前記発光素子からの発散光を屈折させる屈折部と、
   前記第２のレンズ面の両側端に延設され、前記屈折部と前記発光素子パッケージとを隔てる支持部と、
   を含む発光素子組立体。
8. 前記拡散レンズの屈折部が、Ｖ字形、菱形または円錐形より選ばれるいずれか一つの凹凸状であることを特徴とする請求項７に記載の発光素子組立体。
9. 前記第１のレンズ面の曲率半径が、前記第２のレンズ面の曲率半径より小さいことを特徴とする請求項７に記載の発光素子組立体。
10. 前記拡散レンズが、光学ガラスまたは光学合成樹脂から成ることを特徴とする請求項７に記載の発光素子組立体。
11. 前記光学ガラスが、ＢＫ７またはＳＫ５から成ることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子組立体。
12. 前記光学合成樹脂が、ポリカーボネート樹脂またはアクリル樹脂から成ることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子組立体。
13. 前記発光素子が、ＬＥＤであることを特徴とする請求項７に記載の発光素子組立体。

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