JP5226077B2 - 発光モジュール、発光モジュールの製造方法、および灯具ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、発光モジュールおよびその製造方法、発光モジュールを備える灯具ユニットに関する。
近年、高寿命化や消費電力低減などを目的として、車両前方に光を照射する灯具ユニットなど強い光を照射するための光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子を有する発光モジュールを用いる技術の開発が進められている。しかし、このような用途で用いるためには発光モジュールに高い光度の光を発することが求められることになる。ここで、例えば白色光の取り出し効率を向上させるべく、主として青色光を発光する発光素子と、青色光により励起されて主として黄色光を発光する黄色系蛍光体と、発光素子から青色光を透過させ、黄色系蛍光体からの黄色光以上の波長の光を反射する青色透過黄色系反射手段と、を備える照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、一般的な粉状の蛍光体を用いて光の波長を変換する場合、光が蛍光体の粒子に当たったときにその光の光度が弱められるため、光の高い利用効率を実現することは難しい。このため、例えば発光層によって放出された光の経路内に配置されたセラミック層を備える構造体が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−５９８６４号公報 特開２００６−５３６７号公報
近年、車両に搭載される灯具ユニットの光源としてＬＥＤなどの発光素子を用いるため、このような発光素子の高輝度化が重要な課題となっている。このため、発光素子の光の利用効率だけでなく、発光素子が発した光を高輝度なものとする新たな技術の開発が強く望まれている。
そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高輝度の発光モジュールを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光モジュールは、発光素子と、発光素子が発する光の波長を変換する、板状に形成された光波長変換セラミックスと、光波長変換セラミックスを通過した光の出射面積を発光素子の発光面積より小さく絞る導光部材と、を備える。この態様によれば、光の利用効率の低下を抑制しつつ光の出射面積を小さくすることができ、輝度を高めることが可能となる。
光波長変換セラミックスは、透明であってもよい。この態様によれば、光波長変換セラミックスの内部を光が通過するときの光度の減少を抑制することができる。このため、発光素子が発する光を効率的に利用することが可能となる。
光波長変換セラミックスは、変換光波長域の全光線透過率が４０％以上であってもよい。発明者の鋭意なる研究開発の結果、光波長変換セラミックスの変換光波長域の全光線透過率が４０％以上の透明な状態であれば、光波長変換セラミックスによる光の波長の適切な変換と光波長変換セラミックスを通過する光の光度の減少抑制とを両立することが可能であることが判明した。したがってこの態様によれば、光度減少を抑制しつつ光波長変換セラミックスを通過する光の波長を適切に変換することが可能となる。
導光部材は、光波長変換セラミックスの表面上に設けられてもよい。この態様によれば、導光部材によって反射された光が再び光波長変換セラミックスの中を通過するため、効果的に光の波長を変換することができる。
光波長変換セラミックスは、発光素子から光が入射する入射面に対向し且つ傾斜するテーパー面を有してもよい。導光部材は、テーパー面上に設けられてもよい。この態様によれば、入射面から入射した光をより多く入射面とは異なる方向に反射することができる。このため、出射面に到達するまでの光のロスを低減させることができ、発光面積を絞ることによる光の利用効率の低下を抑制することができる。
本態様の発光モジュールは、導光部材上に設けられたヒートシンクをさらに備えてもよい。この態様によれば、ストークスロスによって光波長変換セラミックスに蓄積される熱エネルギの放出を促すことができる。このため、光波長変換セラミックスの熱による発光素子の発光への影響を抑制することができる。
導光部材は、発光素子の発光面と略平行に光が出射するよう導光してもよい。この態様によれば、例えば高さの低い光波長変換セラミックスを発光面に取り付け、発光面と略平行に光を導光するなど、簡易な構成によって光の出射面積を絞ることが可能となる。
本発明の別の態様は、発光モジュールの製造方法である。この方法は、入射面から入射した光の波長を変換する、板状に形成された光波長変換セラミックスに、光波長変換セラミックスを通過した光の出射面積を入射面の面積より小さく絞る導光部材を設ける工程と、発光素子が発した光が光波長変換セラミックスの入射面に入射するよう、発光素子および光波長変換セラミックスを配置する工程と、を備える。
この態様によれば、導光部材が設けられた光波長変換セラミックスと発光素子とを適切に配置するという簡易な工程によって発光モジュールを製造することができる。したがって、例えば粉状の光波長変換セラミックスを発光素子の上方に積載した後に導光部材を設ける場合などと比べ、発光モジュールを簡易に製造することができる。
本発明のさらに別の態様は、灯具ユニットである。この灯具ユニットは、発光素子と、発光素子が発する光の波長を変換する、板状に形成された光波長変換セラミックスと、光波長変換セラミックスを通過した光の出射面積を発光素子の発光面積より小さく絞る導光部材と、を有する発光モジュールと、発光モジュールから出射された光を集光する光学部材と、を備える。この態様によれば、輝度の高い発光モジュールを利用した灯具ユニットを製造することが可能となる。このため、輝度の高い光を出射する灯具ユニットを提供することができる。
本発明によれば、高輝度の発光モジュールを提供することができる。
第１の実施形態に係る車両用前照灯の構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係る発光モジュール基板の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る発光モジュールの構成を示す図である。 第２の実施形態に係る発光モジュールの構成を示す図である。 第３の実施形態に係る発光モジュールの構成を示す図である。 第４の実施形態に係る発光モジュールの構成を示す図である。 第５の実施形態に係る発光モジュールの構成を示す図である。 第６の実施形態に係る発光モジュールの構成を示す図である。 （ａ）は、第７の実施形態に係る発光モジュールの上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態という）について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る車両用前照灯１０の構成を示す断面図である。車両用前照灯１０は、灯具ボディ１２、前面カバー１４、および灯具ユニット１６を有する。以下、図１において左側を灯具前方、右側を灯具後方として説明する。また、灯具前方にみて右側を灯具右側、左側を灯具左側という。図１は、灯具ユニット１６の光軸を含む鉛直平面によって切断された車両用前照灯１０を灯具左側から見た断面を示している。なお、車両用前照灯１０が車両に装着される場合、車両には互いに左右対称に形成された車両用前照灯１０が車両左前方および右前方のそれぞれに設けられる。図１は、左右いずれかの車両用前照灯１０の構成を示している。
灯具ボディ１２は開口を有する箱状に形成される。前面カバー１４は透光性を有する樹脂またはガラスによって椀状に形成される。前面カバー１４は、縁部が灯具ボディ１２の開口部に取り付けられる。こうして、灯具ボディ１２と前面カバー１４とによって覆われる領域に灯室が形成される。
灯室内には、灯具ユニット１６が配置される。灯具ユニット１６は、エイミングスクリュー１８によって灯具ボディ１２に固定される。下方のエイミングスクリュー１８はレベリングアクチュエータ２０が作動することにより回転するよう構成されている。このため、レベリングアクチュエータ２０を作動させることで、灯具ユニット１６の光軸を上下方向に移動することが可能となっている。
灯具ユニット１６は、投影レンズ３０、支持部材３２、リフレクタ３４、ブラケット３６、発光モジュール基板３８、および放熱フィン４２を有する。投影レンズ３０は、灯具前方側表面が凸面で後方側表面が平面の平凸非球面レンズからなり、その後方焦点面上に形成される光源像を反転像として灯具前方に投影する。支持部材３２は、投影レンズ３０を支持する。発光モジュール基板３８には発光モジュール４０が設けられている。リフレクタ３４は、発光モジュール４０からの光を反射して、投影レンズ３０の後方焦点面に光源像を形成する。このようにリフレクタ３４および投影レンズ３０は、発光モジュール４０が発した光を灯具前方に向けて集光する光学部材として機能する。放熱フィン４２は、ブラケット３６の後方側の面に取り付けられ、主に発光モジュール４０が発した熱を放熱する。
支持部材３２には、シェード３２ａが形成されている。車両用前照灯１０はロービーム用光源として用いられ、シェード３２ａは、発光モジュール４０から発せられリフレクタ３４にて反射した光の一部を遮ることで、車両前方においてロービーム用配光パターンにおけるカットオフラインを形成する。ロービーム用配光パターンは公知であることから説明を省略する。
図２は、第１の実施形態に係る発光モジュール基板３８の構成を示す図である。発光モジュール基板３８は、発光モジュール４０、基板４４、および透明カバー４６を有する。基板４４はプリント配線基板であり、上面に発光モジュール４０が取り付けられている。発光モジュール４０は、無色の透明カバー４６によって覆われている。発光モジュール４０は、半導体発光素子５２および光波長変換部材である光波長変換セラミック５８を有する。光波長変換セラミック５８は、半導体発光素子５２の上面に積載されている。
図３は、第１の実施形態に係る発光モジュール４０の構成を示す図である。発光モジュール４０は、素子搭載基板４８、反射基体５０、半導体発光素子５２、およびセラミックユニット５６を有する。
素子搭載基板４８は、ＡＩＮ、ＳｉＣ、Ａｉ２Ｏ３、Ｓｉなど、熱伝導性の高い材料によって板状に形成される。反射基体５０は、直方体の部材の中央に貫通孔５０ａが設けられた形状に形成される。貫通孔５０ａの内面には、光が反射するようアルミまたは銀などが蒸着またはスパッタリングされることによる鏡面処理が施されている。
半導体発光素子５２は、ＬＥＤ素子によって構成される。第１の実施形態では、半導体発光素子５２として、青色の波長の光を主として発する青色ＬＥＤが採用されている。具体的には、半導体発光素子５２は、サファイヤ基板上にＧａＮ系半導体層を結晶成長させることにより形成されるＧａＮ系ＬＥＤ素子によって構成されている。半導体発光素子５２は、例えば１ｍｍ角のチップとして形成され、発する青色光の中心波長は４６０ｎｍとなるよう設けられている。なお、半導体発光素子５２の構成や発する光の波長が上述したものに限られないことは勿論である。
セラミックユニット５６は光波長変換部材であり、少なくとも光波長変換セラミック５８および反射膜６０から構成されている。光波長変換セラミック５８は、５０μｍ以上１０００μｍ未満の厚さの板状に形成された光波長変換セラミックを、半導体発光素子５２よりサイズが５％以上１０％以下大きくなるようダイシングすることにより形成される。なお、光波長変換セラミック５８の大きさがこれに限られないことは勿論であり、例えば光波長変換セラミック５８は、半導体発光素子５２と同じサイズにダイシングされてもよい。また、光波長変換セラミック５８は、半導体発光素子５２より１０％を超えて大きくダイシングされてもよく、ゼロより大きく５％未満だけサイズが大きくなるようダイシングされてもよい。
光波長変換セラミック５８は、いわゆる発光セラミック、または蛍光セラミックと呼ばれるものであり、青色光によって励起される蛍光体であるＹＡＧ（Yttrium Alminium Garnet）粉末を用いて作成されたセラミック素地を焼結することにより得ることができる。このような光波長変換セラミックの製造方法は公知であることから詳細な説明は省略する。こうして得られた光波長変換セラミック５８は、例えば粉末状の蛍光体と異なり、粉末表面での光拡散を抑制でき、半導体発光素子５２が発する光の損失が非常に少ない。
光波長変換セラミック５８は、半導体発光素子５２が主として発する青色光の波長を変換して黄色光を出射する。このため、発光モジュール４０からは、光波長変換セラミック５８をそのまま透過した青色光と、光波長変換セラミック５８によって波長が変換された黄色光との合成光が出射する。こうして白色の光を発光モジュール４０から発することが可能となる。
また、光波長変換セラミック５８には、透明なものが採用されている。第１の実施形態において「透明」とは、変換光波長域の全光線透過率が４０％以上のことを意味するものとする。発明者の鋭意なる研究開発の結果、変換光波長域の全光線透過率が４０％以上の透明な状態であれば、光波長変換セラミック５８による光の波長を適切に変換できると共に、光波長変換セラミック５８を通過する光の光度の減少も適切に抑制できることが判明した。したがって、光波長変換セラミック５８をこのように透明な状態にすることによって、半導体発光素子５２が発する光をより効率的に変換することができる。
また、光波長変換セラミック５８はバインダーレスの無機物で構成され、バインダーなどの有機物を含有する場合に比べて耐久性の向上が図られている。このため、例えば発光モジュール４０に１Ｗ（ワット）以上の電力を投入することが可能となっており、発光モジュール４０が発する光の輝度および光度を高めることが可能となっている。
なお、半導体発光素子５２は青以外の波長の光を主として発するものが採用されてもよい。この場合も、光波長変換セラミック５８には、半導体発光素子５２が発する主とする光の波長を変換するものが採用される。なお、光波長変換セラミック５８は、この場合においても半導体発光素子５２が主として発する波長の光と組み合わせることにより白色または白色に近い色の波長の光となるよう、半導体発光素子５２が発する光の波長を変換してもよい。
反射膜６０は、光波長変換セラミック５８の両面のうち一方の面、および４つの端面のうち１つをマスキングし、アルミまたは銀などの薄膜を蒸着またはスパッタリングして成膜することにより形成される。このようにマスキングされ反射膜６０が形成されていない一面が光の入射面５８ｂとなり、反射膜６０が形成されない一端面が光の出射面５８ａとなる。第１の実施形態では板状の光波長変換セラミック５８を用いるため、反射膜６０を容易に成膜することができる。
発光モジュール４０を製造するときは、まず接着などによって反射基体５０を素子搭載基板４８に固定する。次に、反射基体５０の貫通孔５０ａの内部に発光面が上方となるよう半導体発光素子５２を配置し、金バンプ５４を介して素子搭載基板４８にボンディングすることによりフリップチップ実装を行う。このとき、半導体発光素子５２は上面となる発光面が反射基体５０の上面と同じ高さまたは微小に低い高さとなるよう配置される。
次に、光波長変換セラミック５８の入射面５８ｂが半導体発光素子５２の発光面に対向するよう、セラミックユニット５６を半導体発光素子５２の上方に配置し、半導体発光素子５２および反射基体５０の上面に接着によって固定する。このとき接着剤として、シリコーン系、ゾルゲルシリカ系、フッ素系、無機ガラス系などの耐光性に優れた材料が用いられる。第１の実施形態では板状の光波長変換セラミック５８を用いるため、例えば粉状の光波長変換部材を半導体発光素子５２の上方に積載する場合に比べ、発光モジュール４０を簡易に製造することができる。
こうして、半導体発光素子５２が発した光が光波長変換セラミック５８の入射面に入射するよう、半導体発光素子５２および光波長変換セラミック５８が配置される。なお、セラミックユニット５６の固定方法は接着に限られず、例えばはんだ付け、かしめ、溶着、またはねじ止めなどの機械的締結方法によるものであってもよい。
このように製造された発光モジュール４０において、光波長変換セラミック５８の表面のうち反射膜６０が成膜されておらず且つ外部に露出しているのは出射面５８ａのみとなる。光波長変換セラミック５８の表面に成膜された反射膜６０は、半導体発光素子５２が発した光を導光する導光部材として機能し、半導体発光素子５２の発光面と略平行に光を導光して出射面５８ａから出射させる。この出射面５８ａの面積は、半導体発光素子５２の発光面の面積よりも小さい。このように反射膜６０は、光波長変換セラミック５８を通過した光の出射面積を半導体発光素子５２の発光面積より小さく絞る。これにより、発光モジュール４０から出射される光の輝度を高めることができる。
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る発光モジュール７０の構成を示す図である。発光モジュール４０に代えて発光モジュール７０が設けられる点を除き、特に言及しない限り発光モジュール７０が搭載される車両用前照灯の構成は第１の実施形態と同様である。なお、発光モジュール７０における光の出射方向は発光モジュール４０とは異なる。このため、ブラケット３６における発光モジュール７０の取り付け個所の形状は第１の実施形態とは異なるものとなる。以下、第１の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
発光モジュール７０の構成は、セラミックユニット５６に代えてセラミックユニット７２が設けられている点を除いて、上述した発光モジュール４０と同様である。セラミックユニット７２は、光波長変換部材である光波長変換セラミック７４、および反射膜７６を有する。
光波長変換セラミック７４の材質は、上述の光波長変換セラミック５８と同様である。光波長変換セラミック７４は、５０μｍ以上１０００μｍ未満の厚さの板状に形成された光波長変換セラミックを、半導体発光素子５２よりサイズが５％以上１０％以下大きくなるようダイシングすることにより形成される。このとき光波長変換セラミック７４は、一端面にテーパー面７４ｃが形成されるようダイシングされる。なお、ダイシングされる以前から一端面にテーパー面７４ｃが形成されるよう、光波長変換セラミックが成形されていてもよい。テーパー面７４ｃは、入射面７４ｂと垂直な方向に対して１０度以上７５度未満の角度をなすよう設けられる。
反射膜７６は、光波長変換セラミック７４の両面のうち、テーパー面７４ｃが設けられることにより面積が小さくなる方の面の全領域、およびその反対の面におけるテーパー面７４ｃに沿った一部をマスキングし、アルミまたは銀などの薄膜を蒸着またはスパッタリングして成膜することにより形成される。このとき、全領域がマスキングされた面が光の入射面７４ｂとなり、反対の面においてマスキングされた一部が光の出射面７４ａとなる。
発光モジュール７０を製造するときは、光波長変換セラミック７４の入射面７４ｂが半導体発光素子５２の発光面に対向するよう、セラミックユニット７２を半導体発光素子５２の上方に配置し、上述した接着方法と同様の方法で半導体発光素子５２および反射基体５０の上面に接着して固定する。
こうして設けられた発光モジュール７０において、光波長変換セラミック７４のうち反射膜７６が成膜されておらず且つ外部に露出しているのは出射面７４ａのみとなる。光波長変換セラミック７４の表面に成膜された反射膜７６は、半導体発光素子５２が発した光を導光する導光部材として機能し、半導体発光素子５２の発光面と略平行に光を導光して出射面７４ａから出射させる。反射膜７６は、この出射面７４ａが半導体発光素子５２の発光面の面積よりも小さくなるよう成膜される。このように第２の実施形態においても、反射膜７６は、光波長変換セラミック７４を通過した光の出射面積を半導体発光素子５２の発光面積よりも小さく絞る。これにより、発光モジュール７０から出射される光の輝度を高めることができる。
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る発光モジュール９０の構成を示す図である。なお、発光モジュール４０に代えて発光モジュール９０が設けられる点を除いて、車両用前照灯１０の構成は第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
発光モジュール９０の構成は、セラミックユニット５６に代えてセラミックユニット９２が設けられている点を除いて、上述した発光モジュール４０と同様である。セラミックユニット９２は、光波長変換部材である光波長変換セラミック９４、および反射膜９６を有する。
光波長変換セラミック９４は、互いに直交する２辺のうち一辺（以下、「第１辺」という）が５０μｍ以上１０００μｍ未満となる三角形が断面となるプリズム状の三角柱に成形される。また、光波長変換セラミック９４は、三角形の断面おいて第１辺と直交する他の一辺（以下、「第２辺」という）を含む表面のサイズが半導体発光素子５２より５％以上１０％以下大きくなるよう成形される。光波長変換セラミック９４の材質は、上述の光波長変換セラミック５８と同様である。この第１辺および第２辺以外の辺（以下、「第３辺」という）を含む表面がテーパー面９４ｃとなる。なお、光波長変換セラミック９４は、５０μｍ以上１０００μｍ未満の厚さの板状に形成された光波長変換セラミックの一面を削り取ってテーパー面９４ｃを設けて周縁をダイシングしてもよい。
反射膜９６は、第１辺を含む光波長変換セラミック９４の表面および第２辺を含む光波長変換セラミック９４の表面をマスキングし、アルミまたは銀などの薄膜を蒸着またはスパッタリングして成膜することにより形成される。こうして設けられたセラミックユニット９２において、第１辺を含む光波長変換セラミック９４の表面が出射面９４ａとなり、第２辺を含む光波長変換セラミック９４の表面が入射面９４ｂとなる。
したがってテーパー面９４ｃは、出射面９４ａおよび入射面９４ｂの各々に対向し且つ傾斜する。第３の実施形態では、光波長変換セラミック９４の第２辺の長さは第１辺の長さよりも長くされている。このため、テーパー面９４ｃは入射面９４ｂに対して４５°未満の角度で傾斜し、出射面９４ａに対して４５°より大きい角度で傾斜する。なお、光波長変換セラミック９４は、出射面９４ａと入射面９４ｂとが互いに直交するものに限られず、例えば出射面９４ａが入射面９４ｂに対して９０°未満の角度で傾斜するものであってもよく、また、例えば出射面９４ａが入射面９４ｂに対して９０°より大きい角度で傾斜するものであってもよい。
発光モジュール９０を製造するときは、光波長変換セラミック９４の入射面９４ｂが半導体発光素子５２の発光面に対向するよう、セラミックユニット９２を半導体発光素子５２の上方に配置し、上述した接着方法と同様の方法で半導体発光素子５２および反射基体５０の上面に接着して固定する。
こうして設けられた発光モジュール９０において、光波長変換セラミック９４のうち反射膜９６が成膜されておらず且つ外部に露出しているのは出射面９４ａのみとなる。光波長変換セラミック９４の表面に成膜された反射膜９６は、半導体発光素子５２が発した光を導光する導光部材として機能し、半導体発光素子５２の発光面と略平行に光を導光して出射面９４ａから出射させる。反射膜９６は、この出射面９４ａが半導体発光素子５２の発光面の面積よりも小さくなるよう成膜される。このように第３の実施形態においても、反射膜９６は、光波長変換セラミック９４を通過した光の出射面積を半導体発光素子５２の発光面積よりも小さく絞る。これにより、発光モジュール９０から出射される光の輝度を高めることができる。
（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態に係る発光モジュール１００の構成を示す図である。なお、発光モジュール４０に代えて発光モジュール１００が設けられる点を除いて、車両用前照灯１０の構成は第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
発光モジュール１００の構成は、セラミックユニット５６に代えて第１セラミックユニット１０２および第２セラミックユニット１０８が設けられている点を除いて、上述した発光モジュール４０と同様である。第１セラミックユニット１０２は、光波長変換部材である光波長変換セラミック１０４、および反射膜１０６を有する。
光波長変換セラミック１０４は、５０μｍ以上１０００μｍ未満の厚さの板状に形成された光波長変換セラミックを、半導体発光素子５２よりサイズが５％以上１０％以下大きくなるようダイシングされて形成される。光波長変換セラミック１０４の材質は、上述の光波長変換セラミック５８と同様である。反射膜１０６は、光波長変換セラミック１０４の両面をマスキングして、アルミまたは銀などの薄膜を蒸着またはスパッタリングして成膜することにより形成される。これにより、反射膜１０６は光波長変換セラミック１０４の全周にわたる端面に成膜される。
第２セラミックユニット１０８は、透明セラミック１１０および反射膜１１２を有する。透明セラミック１１０は、互いに直交する２辺のうち一辺（以下、「第１辺」という）が５０μｍ以上１０００μｍ未満となる三角形が断面となるプリズム状の三角柱に成形される。また、透明セラミック１１０は、三角形の断面おいて第１辺と直交する他の一辺（以下、「第２辺」という）を含む表面のサイズが半導体発光素子５２より５％以上１０％以下大きくなるよう成形される。この第１辺および第２辺以外の辺（以下、「第３辺」という）を含む表面がテーパー面１１０ｃとなる。
透明セラミック１１０は、蛍光体などの発光元素がドープされていない無色透明のセラミックによって構成される。セラミックスを採用したのは、光波長変換セラミック１０４と同様の屈折率を有し、光波長変換セラミック１０４との接合面における光度の低下が抑制できるからである。なお、セラミック以外の透明材料が用いられてもよい。また、透明セラミック１１０は、５０μｍ以上１０００μｍ未満の厚さの板状に形成された透明セラミックの一面を削り取ってテーパー面１１０ｃを設けて周縁をダイシングして形成してもよい。
反射膜１１２は、第１辺を含む透明セラミック１１０の表面および第２辺を含む透明セラミック１１０の表面をマスキングし、アルミまたは銀などの薄膜を蒸着またはスパッタリングして成膜することにより形成される。こうして設けられた第２セラミックユニット１０８において、第１辺を含む透明セラミック１１０の表面が出射面１１０ａとなり、第２辺を含む透明セラミック１１０の表面が入射面１１０ｂとなる。
したがってテーパー面１１０ｃは、出射面１１０ａおよび入射面１１０ｂの各々に対向し且つ傾斜する。第４の実施形態では、透明セラミック１１０の第２辺の長さは第１辺の長さよりも長くされている。このため、テーパー面１１０ｃは入射面１１０ｂに対して４５°未満の角度で傾斜し、出射面１１０ａに対して４５°より大きい角度で傾斜する。なお、透明セラミック１１０は、出射面１１０ａと入射面１１０ｂとが互いに直交するものに限られず、例えば出射面１１０ａが入射面１１０ｂに対して９０°未満の角度で傾斜するものであってもよく、また、例えば出射面１１０ａが入射面１１０ｂに対して９０°より大きい角度で傾斜するものであってもよい。
発光モジュール１００を製造するときは、まず光波長変換セラミック１０４の一面が半導体発光素子５２の発光面に対向するよう、第１セラミックユニット１０２を半導体発光素子５２の上方に配置し、上述した接着方法と同様の方法で半導体発光素子５２および反射基体５０の上面に接着して固定する。次に、透明セラミック１１０の入射面１１０ｂが光波長変換セラミック１０４の他方の一面に対向するよう、第２セラミックユニット１０８を第１セラミックユニット１０２の上方に配置し、透明セラミック１１０の入射面１１０ｂを光波長変換セラミック１０４の上面に上述と同様の方法で接着して固定する。
こうして設けられた発光モジュール１００において、透明セラミック１１０のうち反射膜１１２が成膜されておらず且つ外部に露出しているのは出射面１１０ａのみとなる。透明セラミック１１０の表面に成膜された反射膜１１２は、半導体発光素子５２が発した光を導光する導光部材として機能し、半導体発光素子５２の発光面と略平行に光を導光して出射面１１０ａから出射させる。反射膜１１２は、この出射面１１０ａが半導体発光素子５２の発光面の面積よりも小さくなるよう成膜される。このように第４の実施形態においても、反射膜１１２は、光波長変換セラミック１０４を通過した光の出射面積を半導体発光素子５２の発光面積よりも小さく絞る。これにより、発光モジュール１００から出射される光の輝度を高めることができる。
（第５の実施形態）
図７は、第５の実施形態に係る発光モジュール１２０の構成を示す図である。なお、発光モジュール４０に代えて発光モジュール１２０が設けられる点を除いて、車両用前照灯１０の構成は第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
発光モジュール１２０は、ヒートシンク１２２およびヒートシンク１２４が更に設けられる以外は、発光モジュール４０と同様に構成される。ヒートシンク１２２は、カーボン、銅、アルミニウムなど熱伝導性に優れた材料によって形成され、多数のフィン１２２ａを有する。ヒートシンク１２２は、フィン１２２ａが設けられていない側の面が光波長変換セラミック５８の一面に成膜された反射膜６０に接着され、セラミックユニット５６に固定される。
ヒートシンク１２４もまた、カーボン、銅、アルミニウムなど熱伝導性に優れた材料によって形成され、多数のフィン１２４ａを有する。ヒートシンク１２４は、フィン１２４ａが設けられていない側の面が光波長変換セラミック５８の端面に成膜された反射膜６０に接着され、セラミックユニット５６に固定される。
なお、図７では光波長変換セラミック５８の一端面に成膜された反射膜６０に固定されたヒートシンク１２４のみを表示しているが、反射膜６０が成膜された残りの２つの端面にもヒートシンク１２４と同様に形成されるヒートシンク（図示せず）が接着され、セラミックユニット５６に固定されている。
光波長変換セラミック５８に含まれる蛍光体は、ある特定範囲の波長の光をその波長よりも長い波長の光に変換する。光は波長が短いほどエネルギーが高いので、このようにより長い波長に光を変換すると、そのエネルギの差分、すなわちストークスロスだけ光波長変換セラミック５８に熱エネルギとして蓄積される。一方、光波長変換セラミック５８が高温になると、光波長変換セラミック５８を形成する結晶の格子振動が大きくなり、発光中心元素に効率よくエネルギが伝達できなくなるため、光波長変換セラミック５８の発光効率が低下する。このため、光波長変換セラミック５８による高い発光効率を実現するために、光波長変換セラミック５８における温度上昇の抑制が極めて重要になる。
このようにヒートシンク１２２およびヒートシンク１２４を設けることによって、光波長変換セラミック５８で生じた熱を外部に放出し易くすることができ、光波長変換セラミック５８の温度上昇を抑制することができる。なお、第５の実施形態では、第１の実施形態に係る発光モジュール４０にヒートシンク１２２およびヒートシンク１２４を設けた例を示したが、第２〜第４のいずれかの発光モジュールにヒートシンクを設けてもよいことは勿論である。
（第６の実施形態）
図８は、第６の実施形態に係る発光モジュール１４０の構成を示す図である。発光モジュール４０に代えて発光モジュール１４０が設けられる点を除き、特に言及しない限り発光モジュール１４０が搭載される車両用前照灯の構成は第１の実施形態と同様である。なお、発光モジュール１４０における光の出射方向は発光モジュール４０とは異なる。このため、ブラケット３６における発光モジュール１４０の取り付け個所の形状は第１の実施形態とは異なるものとなる。以下、第１の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
発光モジュール１４０は、素子搭載基板１４８、反射基体１５０、半導体発光素子５２、およびセラミックユニット１４２を有する。素子搭載基板１４８は、上述の素子搭載基板４８よりも面積が大きくなるよう形成される以外は、材質および厚さなどにおいて素子搭載基板４８と同様である。反射基体１５０は、上述の反射基体５０よりも面積が大きくなるよう形成される以外は、材質および厚さなどにおいて反射基体５０と同様である。なお反射基体１５０の中央にも貫通孔１５０ａが形成され、その内面に鏡面処理が施されている。発光モジュール１４０は、半導体発光素子５２を２つ有する。なお、半導体発光素子５２の数は３以上であってもよい。
セラミックユニット１４２は、光波長変換部材である光波長変換セラミック１４４、および反射膜１４６を有する。光波長変換セラミック１４４の材質は、上述の光波長変換セラミック５８と同様である。光波長変換セラミック７４は、５０μｍ以上１０００μｍ未満の厚さの板状に形成された光波長変換セラミックを、２つの半導体発光素子５２の発光面積の合計よりサイズが５％以上１０％以下大きくなるようダイシングすることにより形成される。
反射膜１４６は、光波長変換セラミック１４４の一面の全領域と、その反対の面の中央の一部の領域をマスキングし、アルミまたは銀などの薄膜を蒸着またはスパッタリングして成膜することにより形成される。このとき、全領域がマスキングされた面が光の入射面１４４ｂとなり、反対の面においてマスキングされた一部が光の出射面１４４ａとなる。
発光モジュール１４０を製造するときは、素子搭載基板１４８にまず反射基体１５０を接着などによって固定する。次に、反射基体１５０の貫通孔１５０ａの内部に発光面が上方となるよう２つの半導体発光素子５２を水平方向に並べて配置し、金バンプ５４を介して素子搭載基板４８にボンディングすることによりフリップチップ実装を行う。このとき、半導体発光素子５２は上面となる発光面が反射基体１５０の上面と同じ高さまたは微小に低い高さとなるよう配置される。
次に、光波長変換セラミック１４４の入射面１４４ｂが半導体発光素子５２の発光面に対向するよう、セラミックユニット１４２を半導体発光素子５２の上方に配置し、半導体発光素子５２および反射基体１５０の上面に接着によって固定する。このときの接着方法は上述したものと同様である。
このとき、光波長変換セラミック１４４の表面のうち、反射膜１４６が成膜されておらず且つ外部に露出しているのは出射面１４４ａのみとなる。光波長変換セラミック１４４の表面に成膜された反射膜１４６は、半導体発光素子５２が発した光を導光する導光部材として機能し、半導体発光素子５２の発光面と略平行に光を導光して出射面１４４ａから出射させる。この出射面１４４ａの面積は、２つの半導体発光素子５２の発光面の合計の面積よりも小さい。このように反射膜１４６は、光波長変換セラミック１４４を通過した光の出射面積を半導体発光素子５２の発光面積より小さく絞る。これにより、発光モジュール１４０から出射される光の輝度を高めることができる。
（第７の実施形態）
図９（ａ）は、第７の実施形態に係る発光モジュール１６０の上面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。なお、発光モジュール４０に代えて発光モジュール１６０が設けられる点を除いて、車両用前照灯１０の構成は第１の実施形態と同様である。以下、図９（ａ）および図９（ｂ）の双方に関連して発光モジュール１６０の構成について説明する。なお、第１の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
発光モジュール１６０は、素子搭載基板１６２、半導体発光素子１６７、およびセラミックユニット１７４を備える。素子搭載基板１６２は、上述の素子搭載基板４８と同様の材質によって板状に形成される。素子搭載基板１６２の上面には電極パターン１６４および電極パターン１６６が実装されている。
半導体発光素子１６７は、導電性基板１６８および発光層１７０を有する。半導体発光素子１６７には、青色の波長の光を主として発する青色ＬＥＤ素子が採用されている。このため発光層１７０は、青色の波長の光を発するようサファイヤ基板上にＧａＮ系半導体層を結晶成長させることにより形成されるＧａＮ系ＬＥＤ素子によって構成されている。発光層１７０は、例えば１ｍｍ角のチップとして形成され、発する青色光の中心波長は４６０ｎｍとなるよう設けられている。
発光層１７０は、接着などによって導電性基板１６８に取り付けられる。なお、導電性基板１６８と発光層１７０との間にはｐ型半導体層（図示せず）が設けられ、また、発光層１７０の上面すべてを覆うようにｎ型半導体層（図示せず）が設けられる。
半導体発光素子１６７は、銀ペーストなどの導電性接着剤、または金錫はんだ等によって電極パターン１６４の上面にマウントされる。半導体発光素子１６７の上面には電極（図示せず）が設けられており、金ワイヤ１７２の一端をこの電極にボンディングし、他端を電極パターン１６６にボンディングする。こうして、半導体発光素子１６７が素子搭載基板１６２の上面に実装される。
セラミックユニット１７４は、光波長変換部材である光波長変換セラミック１７６、および反射膜１７８を有する。光波長変換セラミック１７６の材質は、上述の光波長変換セラミック５８と同様である。光波長変換セラミック１７６は、５０μｍ以上１０００μｍ未満の厚さの板状に形成された光波長変換セラミックに対し、発光層１７０の上面と同じサイズの四角形の２つのコーナー部を斜めの直線でカットしたホームベース形状の５角形にダイシングすることにより形成される。なお、この２つのコーナー部を曲線でカットしてもよい。このカットされた部分に、前記半導体素子上に設けられた金ワイヤをボンディングする電極が位置するよう搭載する。
反射膜１７８は、光波長変換セラミック１７６の一面の全領域、および斜めにカットした辺に対向する辺を含む一端面をマスキングし、アルミまたは銀などの薄膜を蒸着またはスパッタリングして成膜することにより形成される。このとき、全領域がマスキングされた面が光の入射面１７６ｂとなり、マスキングされた一端面が出射面１７６ａとなる。
こうして設けられたセラミックユニット１７４において、光波長変換セラミック１７６のうち反射膜１７８が成膜されておらず且つ外部に露出しているのは出射面１７６ａのみとなる。光波長変換セラミック１７６の表面に成膜された反射膜１７８は、発光層１７０と略平行に光を導光して出射面１７６ａから出射させる。反射膜１７８は、この出射面１７６ａが発光層１７０の上面の面積よりも小さくなるよう成膜される。このように反射膜１７８は、光波長変換セラミック１７６を通過した光の出射面積を発光層１７０の発光面積よりも小さく絞る。これにより、発光モジュール１６０から出射される光の輝度を高めることができる。
本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。
ある変形例では、半導体発光素子と光波長変換セラミックとの間に、光学フィルタが設けられる。この光学フィルタは、半導体発光素子が主として発する青色光を透過する。また、この光学フィルタは、光波長変換セラミックによって青色光の波長が変換され主として発せられる黄色光を反射する。この光学フィルタを半導体発光素子と光波長変換セラミックとの間に配置することにより、まず半導体発光素子が発する光の大部分を光波長変換セラミックに出射させることができる。また、光波長変換セラミックによって波長が変換される際に光が拡散することで半導体発光素子に向かって進もうとする黄色の波長の光を反射することができる。このため、半導体発光素子が発した光を効率よく利用することができ、発光モジュールが発する光の光度や輝度の低下を抑制することが可能となる。
光学フィルタは、光波長変換セラミックの一方の面上に屈折率の異なる材料を交互に蒸着して積層することにより多層膜化したダイクロイックミラーにより構成されてもよい。また、例えばロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、またはバンドパスフィルタが採用されてもよい。
１０ 車両用前照灯、 ３４ リフレクタ、 ３６ ブラケット、 ３８ 発光モジュール基板、 ４０ 発光モジュール、 ４４ 基板、 ４８ 素子搭載基板、 ５０ 反射基体、 ５２ 半導体発光素子、 ５６ セラミックユニット、 ５８ 光波長変換セラミック、 ５８ａ 出射面、 ５８ｂ 入射面、 ６０ 反射膜。
本発明によれば、高輝度の発光モジュールを提供することができる。

Claims (9)

  1. 発光素子と、
    前記発光素子が発する光の波長を変換する、板状に形成された光波長変換セラミックスと、
    前記光波長変換セラミックスを通過した光の出射面積を前記発光素子の発光面積より小さく絞る導光部材と、
    を備えることを特徴とする発光モジュール。
  2. 前記光波長変換セラミックスは、透明であることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
  3. 前記光波長変換セラミックスは、変換光波長域の全光線透過率が４０％以上であることを特徴とする請求項２に記載の発光モジュール。
  4. 前記導光部材は、前記光波長変換セラミックスの表面上に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の発光モジュール。
  5. 前記光波長変換セラミックスは、前記発光素子から光が入射する入射面に対向し且つ傾斜するテーパー面を有し、前記導光部材は、前記テーパー面上に設けられることを特徴とする請求項４に記載の発光モジュール。
  6. 前記導光部材上に設けられたヒートシンクをさらに備えることを特徴とする請求項４または５に記載の発光モジュール。
  7. 前記導光部材は、前記発光素子の発光面と略平行に光が出射するよう導光することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光モジュール。
  8. 入射面から入射した光の波長を変換する光波長変換セラミックスに、前記光波長変換セラミックスを通過した光の出射面積を前記入射面の面積より小さく絞る導光部材を設ける工程と、
    発光素子が発した光が前記光波長変換セラミックスの入射面に入射するよう、前記発光素子および前記光波長変換セラミックスを配置する工程と、
    を備えることを特徴とする発光モジュールの製造方法。
  9. 発光素子と、前記発光素子が発する光の波長を変換する光波長変換セラミックスと、
    前記光波長変換セラミックスを通過した光の出射面積を前記発光素子の発光面積より小さく絞る導光部材と、を有する発光モジュールと、
    前記発光モジュールから出射された光を集光する光学部材と、
    を備えることを特徴とする灯具ユニット。
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