JP5684486B2

JP5684486B2 - 発光装置

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Publication number: JP5684486B2
Application number: JP2010072479A
Authority: JP
Inventors: 末広　好伸; 好伸末広; 徹寺嶋; 浩二田角
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Sumita Optical Glass Inc
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Sumita Optical Glass Inc
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: JP2011204566A

Description

本発明は、フリップチップ接続により実装されたＬＥＤ素子を有する光源の光を導光板へ入射させる面状の発光装置に関する。

導光板を用いた発光装置として、導光板の少なくとも１側面部近傍の裏面部に側面部と平行に円柱の穴状または凹状の入射部を複数列設したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この発光装置は、入射部が導光板の厚さ方向に形成されており、側方へ光を放射する平面放射型の光源を用いている。具体的に、光源は、上部に同心の傾斜面部を内側面と外側面に有し、内側面の傾斜面部で半導体発光素子からの光を全反射し、外側面の傾斜面部で臨界角を破り、四方に放射状に出射している。

さらに、導光板を用いた発光装置として、回路基板上に配置された複数のＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源からの光を入射面から入射し照明光として出射面に導く導光板とを有する照明装置において、導光板は上部導光板と下部導光板により構成され、下部導光板は各ＬＥＤ光源からの出射光を導光板内部に導くための凹部を有し、ＬＥＤ光源が凹部の開口面近傍に配置されたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２７６４９１号公報特開２００７−１６５０６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発光装置では、光源として平面的に光を出射するものを選択する必要があり、光源のサイズが大きく、しかも平面視では光源が非発光となるため、仮に面状発光装置の中央部に配置すると、装置の見栄えが悪くなり、装置の均一な発光状態を実現することはできない。また、光源のサイズに対応した貫通孔を導光板に形成すると、導光板内での伝搬光に悪影響を及ぼすおそれがある。さらに、光源のサイズが大きいため部材使用量が多く、型からの取り数が少なくなり、コスト高な光源となる。
また、特許文献２に記載の発光装置では、導光板に凹部を形成することが開示されているが、凹部に光源を収容しても、光源から発せられる光を高効率で導光板の伝搬光とすることができない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光効率を損なうことなく、側方のみならず上方からも光を放射する光源を、導光板の厚さ方向へ延びる貫通孔に収容させた発光装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、素子実装基板と、前記素子実装基板にフリップチップ接続により実装されたＬＥＤ素子と、前記素子実装基板上で前記ＬＥＤ素子を封止する封止部と、を有し、平面視にて四角形状である光源と、前記光源を収容する貫通孔を一面側から他面側に延びるように、かつ、平面視にてコーナーが湾曲形成された四角形状となるように形成された導光板と、前記導光板の他面側に設けられ、前記素子実装基板を回路パターンに接続することによって前記光源を搭載する搭載基板と、を備え、前記貫通孔は、内面のうち前記光源から光が入射する範囲が前記導光板の厚さ方向に対して略平行であり、前記光源は、前記素子実装基板の裏面と前記導光板の前記他面とが、前記導光板の厚さ方向について同じ高さ位置となっていることにより、前記封止部の表面が前記素子実装基板の分だけ前記導光板の前記他面よりも高い位置となるように前記貫通孔に収容され、前記貫通孔の前記導光板の前記一面側及び前記貫通孔の前記内面側へ光軸上の光強度が最大とはならない光を放射し、かつ、光軸が前記導光板の厚さ方向に対して平行であり、前記導光板の前記他面に対する前記貫通孔の前記内面の角度をαとし、前記導光板の屈折率をｎとしたとき、９０°−ｓｉｎ^−１[{ｓｉｎ（９０°−α）}／ｎ]＋α≧ｓｉｎ^−１（１／ｎ）の式を満たす発光装置提供される。

また、上記発光装置において、前記導光板の前記他面に対する前記貫通孔の前記内面の角度をαとし、前記導光板の屈折率をｎとしたとき、
α≦９０°−２×Ｓｉｎ^−１[ｓｉｎ｛（９０°−α）／ｎ｝]
の式を満たすことが好ましい。

また、上記発光装置において、前記光源の前記素子実装基板側の端部と、前記導光板の前記他面とは、前記導光板の厚さ方向について同じ高さ位置であることが好ましい。

また、上記発光装置において、前記封止部は、熱融着ガラスであることが好ましい。

また、上記発光装置において、前記光源は、直方体形状であり、上面に対し側面が２倍以上の合計面積であることが好ましい。

また、上記発光装置において、前記封止部は、前記ＬＥＤ素子から発せられる光の波長を変換する蛍光体を有していてもよい。

また、上記発光装置において、前記導光板の他面側に設けられ、前記貫通孔を塞ぐ反射板を備えていてもよい。

本発明によれば、発光効率を損なうことなく、側方のみならず上方からも光を放射する光源を、導光板の厚さ方向へ延びる貫通孔に収容させることができる。

図１は本発明の第１の実施形態を示し、（ａ）は発光装置の平面図、（ｂ）は発光装置の断面図である。図２は発光装置の一部断面図である。図３において、（ａ）はＬＥＤ素子の平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の模式断面図を示す。図４は光源と貫通孔の関係を示す説明図である。図５は光源の製造時の説明図である。図６は光源の製造時の説明図である。図７は光源が連結された中間体の平面図である。図８は仮に光源のＬＥＤ素子をワイヤボンディング接続とした場合の説明図である。図９は変形例を示す発光装置の一部断面図である。図１０は変形例を示す発光装置の一部断面図である。図１１は変形例を示す光源の断面図である。図１２は変形例を示し、（ａ）は発光装置の平面図、（ｂ）は発光装置の断面図である。図１３は変形例を示し、（ａ）は発光装置の平面図、（ｂ）は発光装置の断面図である。図１４Ａは変形例を示す発光装置の一部断面図である。図１４Ｂは導光板の屈折率ｎごとに、式（１）及び式（２）を満たすαを示した表である。図１５は変形例を示す発光装置の一部断面図である。図１６は変形例を示す発光装置の一部断面図である。図１７は変形例を示す発光装置の一部断面図である。図１８は本発明の第２の実施形態を示し、（ａ）は発光装置の断面図、（ｂ）は発光装置の正面図である。図１９は本発明の第３の実施形態を示し、（ａ）は発光装置の平面図、（ｂ）は発光装置の断面図である。

図１から図７は本発明の第１の実施形態を示し、図１（ａ）は発光装置の平面図、（ｂ）は発光装置の断面図である。

図１（ａ）に示すように、この発光装置１は、導光板２と、導光板２に形成される複数の貫通孔２１と、貫通孔２１に収容される光源３と、光源３と電気的に接続される搭載基板４と、を備えている。導光板２は、光源３から発せられる光に対して透明な材料からなり、貫通孔２１内の光源３から発せられた光が入射する。本実施形態においては、導光板２は、全体にわたって厚さが一定な平板状に形成される。導光板２の材質は、光源３の光に対して透明であれば任意であるが、例えばアクリル樹脂とすることができる。ここで、本明細書においては、導光板２の一面を上面２２とし、他面を下面２３として説明する。下面２３には、白色塗料や表面の粗面化、プリズム形成などによって、散乱面を形成してある。

貫通孔２１は、内面２４のうち光源３から光が入射する範囲につき、導光板１の厚さ方向に対して平行となっている。本実施形態においては、貫通孔２１は、平面視にてコーナーがカットされた正方形状を呈し、上下について同一断面となっている。具体的には、貫通孔２１のコーナーは、所定の曲率半径で湾曲形成されている。後述するように、光源３からは上方及び側方へ光が出射され、貫通孔２１の内面２４の全範囲に光源３の光が入射する。本実施形態においては、複数の貫通孔２１が、導光板１に平面視にて規則的に形成されている。具体的に、各貫通孔２１は、縦方向及び横方向に等間隔で面状の発光装置１の全面に格子点状に並んでいる。

図２は、発光装置の一部断面図である。
図２に示すように、光源３は、フリップチップ型のＧａＮ系半導体材料からなるＬＥＤ素子３２と、ＬＥＤ素子３２を搭載する素子実装基板３３と、ＬＥＤ素子３２を封止するとともに素子実装基板３３と接着される無機封止部としてのガラス封止部３４とを有する。また、素子実装基板３３には、ＬＥＤ素子３２と搭載基板４とを電気的に接続する回路パターン３５が形成される。回路パターン３５は、素子実装基板３３の表面に形成される表面パターンと、素子実装基板３３の裏面に形成される裏面パターンと、表面パターン及び裏面パターンを接続するビアパターンと、を有している。素子実装基板３３は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の多結晶焼結材料からなり、厚さ２５０μｍで１０００μｍ角に形成されている。また、ＬＥＤ素子３２は、厚さ１００μｍで３４６μｍ角に形成されている。
すなわち、図２に示すように、ＬＥＤ素子３２の側端からガラス封止部３４の側面３４ｂまでの距離ｃは３２０μｍ、ＬＥＤ素子３２の上端からガラス封止部３４の上面３４ａまでの距離ｄは５００μｍとなっている。

図３において、（ａ）はＬＥＤ素子の平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の模式断面図を示す。
発光素子としてのＬＥＤ素子３２は、図３（ａ）に示すように、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる支持基板６０の表面に、III族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることにより、バッファ層６１と、ｎ型層６２と、ＭＱＷ層６３と、ｐ型層６４とがこの順で形成されている。このＬＥＤ素子３２は、７００℃以上でエピタキシャル成長され、その耐熱温度は６００℃以上であり、後述する低融点のガラスを用いた封止加工における加工温度に対して安定である。また、ＬＥＤ素子３２は、ｐ型層６４の表面に設けられるｐ側電極６５と、ｐ側電極６５上に形成されるｐ側パッド電極６６と、を有するとともに、ｐ型層６４からｎ型層６２にわたって一部をエッチングすることにより露出したｎ型層６２に形成されるｎ側電極６７を有する。

ｐ側電極６５は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide ）などの透明導電性の酸化物からなり、発光層としてのＭＱＷ層６３から発せられる光を支持基板６０の方向に反射する光反射層として機能する。また、ｎ側電極６７は、例えばＮｉ／Ａｕ、Ａｌ等の金属からなり、平面視にてＬＥＤ素子３２における１つの隅部に形成される。本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、ｐ側電極６５は、ｎ側電極６７の形成領域を除いて、平面視にて、ＬＥＤ素子３２のほぼ全面に形成されている。また、ｐ側パッド電極６６は、例えばＮｉ／Ａｕからなり、平面視にてＬＥＤ素子３２におけるｎ側電極６７と対向する隅部に形成される。ｎ側電極６７及びｐ側パッド電極６６は、平面視にて円形に形成される。

図４は、光源と貫通孔の関係を示す説明図である。
図４に示すように、平面視にて１．０ｍｍ角の光源３は、平面視にて１．５ｍｍ四方の貫通孔２１の中心に搭載される。尚、貫通孔２１の角部は、曲率半径が０．２５となるよう丸められている。光源３は、素子実装基板３３が導光板２の下面２３側となるよう貫通孔２１に収容され、光軸が導光板２の厚さ方向に対して平行となっている。

図２に示すように、ガラス封止部３４は、ＬＥＤ素子３２とともに素子実装基板３３におけるＬＥＤ素子３２の搭載面側を覆い、厚さが０．６ｍｍとなっている。素子実装基板３３と平行な上面３４ａと、上面３４ａの外縁から下方へ延び素子実装基板３と垂直な側面３４ｂと、を有している。ガラス封止部３４は、例えばＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系のガラスとすることができ、この場合の屈折率は１．７である。また、このガラスは、加熱によって素子実装基板３３に融着された熱融着ガラスであり、ゾルゲル反応を利用して形成されたガラスと異なっている。尚、ガラスの組成及び屈折率はこれらに限定されるものではない。

また、ガラス封止部３４には、ＬＥＤ素子３２から発せられる光の波長を変換する蛍光体３９が含まれている。蛍光体３９として、例えば、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体、珪酸塩蛍光体や、ＹＡＧと珪酸塩蛍光体を所定の割合で混合したもの等を用いることができ、本実施形態では青色のＬＥＤ素子３２と黄色の蛍光体３９から白色光を得ている。尚、紫外光を発するＬＥＤ素子と、青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体の組合せにより白色光を得るようにしてもよい。また、例えば図１１に示すように、ガラス封止部３４に蛍光体３９を含有させずに、ガラス封止部３４の表面に蛍光体３９ａを塗布したものであってもよいし、蛍光体３９を用いなくともよい。

光源３は、ＬＥＤ素子３２に電圧が印加されると、ＬＥＤ素子３２から青色光が発せられる。ＬＥＤ素子３２から発せられた青色光は、一部が蛍光体３９により黄色に変換された後、ガラス封止部３４の上面３４ａ又は側面３４ｂを通じて外部へ放射される。ここで、ＬＥＤ素子３２の側端からガラス封止部３４の側面３４ｂまでの距離ｃと、ＬＥＤ素子３２の上端からガラス封止部３４の上面３４ａまでの距離ｄが異なっているので、上面３４ａから放射される光と側面３４ｂから放射される光とでは色度が異なることとなる。この光源３は、素子実装基板３３に垂直で、上面３４ａの中央を通る軸が光軸となっている。この光源３では、光軸上の光強度が最大とはならず、光軸に対しておよそ３０°〜４５°傾斜した方向で光強度が最大となる配光特性となる。この光源３は、以下の工程を経て製造される。

まず、ガラス成分の酸化物粉末及び蛍光体粉末を１２００℃に加熱し、溶融状態で撹拌する。そして、ガラスを固化した後、ガラス封止部３４の厚さに対応するようスライスして封止前ガラス３４ｃを板状に加工する。

一方、平板状の素子実装基板３３に回路パターンを形成する。例えば、回路パターン３５は、金属ペーストをスクリーン印刷し、素子実装基板３３を所定温度（例えば１０００℃以上）で熱処理することにより当該金属を素子実装基板３３に焼き付けた後、当該金属に他の金属のめっきを施すことにより形成することができる。この後、複数のＬＥＤ素子３２を縦及び横について等間隔で素子実装基板３３にフリップチップ接続で実装する。尚、素子実装基板３３の回路パターンは、金属ペーストの熱処理で形成したもののみでもよいし、金属スパッタの後に金属めっきを施したものなど、他の方法で形成することもできる。

そして、図５に示すように、各ＬＥＤ素子３２が搭載された素子実装基板３３を下金型９１にセットし、上金型９２を素子実装基板３３の搭載面と対向して配置し、素子実装基板３３と上金型９２の間に各ＬＥＤ素子３２の搭載領域が覆われるように封止前ガラス３４ｃを配置する。この後、図６に示すように、下金型９１及び上金型９２を加圧し、窒素雰囲気中で加熱によって軟化したガラス材のホットプレス加工を行う。このときの加工条件は、ガラスの温度、圧力等に応じて任意に変更することができるが、一例をあげるとすれば、例えば、ガラスの温度を６００℃とし、ガラスの圧力を２５ｋｇｆ／ｃｍ^２とすることができる。

以上の工程で、複数の発光装置１が縦方向及び横方向に連結された状態の図７に示すような中間体３６が作製される。この後、ガラス封止部３４と一体化された素子実装基板３３をダイシング装置にセットして、ダイシングブレードによって、ガラス封止部３４及び素子実装基板３３を各ＬＥＤ素子３２ごとに分割するようダイシングして光源３が完成する。

図２に示すように、搭載基板４は、アルミニウムをベースとし、導光体２の下面２３に沿って設けられる。本実施形態においては、搭載基板４は、各貫通孔２１を塞ぐように設けられている。搭載基板４は、アルミニウムからなる基板本体４１と、基板本体４１上に設けられた絶縁層４２と、絶縁層４２上に設けられた回路パターン４３と、回路パターン４３上に設けられた白色レジスト層４４と、を有する。

これによって、光源３が発した熱は搭載基板４によって基板全体に拡がり、熱の局在を防いで外部への放熱を促進することができる。そしてこの際、導光板２に沿った搭載基板４が放熱機能を持ちながら、面状の発光装置１のデザイン性を損なう程度に厚くなる等のような、形状の影響が生じないようにすることができる。また、特許文献１に記載のように、導光板の少なくとも１側面部近傍の裏面部に側面部と平行に円柱の穴状または凹状の入射部を複数列設すると、光源が局在することとなり、十分な放熱対策を行わない場合に、熱の局在により導光板が撓むという問題点がある。これに対し、本実施形態の発光装置１では、光源３が分散配置されていることと、各光源３の熱を面状の搭載基板４に分散し、大きな面積から外部放熱が可能となるので、熱による導光板２の撓みを抑制することができる。

また、高さが０．８５ｍｍの光源３は、はんだ３１を介して搭載基板４に搭載されている。これにより、上下長さが３ｍｍである貫通孔２１の下端から、０．８５ｍｍの高さで光源３が配置されている。すなわち、光源３の素子実装基板３３側の端部（本実施形態では、素子実装基板３３の裏面）と、導光板２の下面２３とは、導光板２の厚さ方向について同じ高さ位置となっている。これにより、光源３の発光面となるガラス封止部３４の表面は、はんだ３１と素子実装基板３３の分だけ導光板２の下面２３よりも高い位置となるため、蛍光体３９を含有した光源３のガラス封止部３４から散乱放射される場合であっても多くの光が貫通孔２１の内面２４へ直接入射するようになる。

また、導光板２の他面２３に対する貫通孔２１の内面２４の角度をαとし、導光板２の屈折率をｎとしたとき、
９０°−Ｓｉｎ^−１[｛ｓｉｎ（９０°−α）｝／ｎ]＋α≧Ｓｉｎ^−１（１／ｎ）…（１）
の式を満たすようにすると、導光板２の厚さ方向へ進む光につき、内面２４から導光板２内へ入射した全ての光が導光板２内の伝搬光となる。本実施形態においては、α＝９０°でありｎ＝１．５であることから、上記式（１）の条件を満たす。

これに加え、
α≦９０°−２×Ｓｉｎ^−１[ｓｉｎ｛（９０°−α）／ｎ｝]…（２）
の式を満たすようにすると、導光板２の内面２４に沿って進む光につき、内面２４から導光板２内へ入射した全ての光が導光板２内の伝搬光となる。本実施形態においては、α＝９０°でありｎ＝１．５であることから、上記式（２）の条件を満たす。

また、貫通孔２１の内面２４の、光源３の上面３４ａの中心部に対する貫通孔２１の内面２４の立体角βは、上側半球の２πsteradianに対して９０％（５．６５steradian）以上となっている。そして、側面３４ｂの中心部に対する貫通孔２１の内面２４の立体角の割合（側面の半球の上側のπsteradianが対象）は、上面３４ａよりも大きくなるので、光源３全体としてみれば、立体角の割合は少なくとも９０％以上であるといえる。また、光源３の光強度が最大となる方向は約４５°であるが、この方向に内面２４が存在することとなる。

以上のように構成された発光装置１によれば、上記（１）及び（２）の式を満たすように、導光板２の他面２３に対する貫通孔２１の内面２４の角度αと、導光板２の屈折率ｎが設定されているので、貫通孔２１の内面２４から入射した光の殆どが伝搬光となる。これにより、光源３の光軸が導光板２の厚さ方向となっているにもかかわらず、光源３から上方へ発せられた光を導光板２の面内方向となるよう制御する特殊な光学的制御部を光源３にも導光板２にも用いることなく、導光板２内に的確に光を入射し導光板２の伝搬光とすることができるという、技術常識に反した作用効果を得ることができる。従って、光学的制御部を省略して部品点数を削減することができるし、発光装置１を簡単容易に製造することができる。また、光源３から発せられる光の少なくとも９０％以上は導光板２の内面２４へ入射するので、光源３から発せられる光を無駄なく利用することができる。

このように、導光板２に複数の貫通孔２１を所定の２方向について規則的に形成して、各貫通孔２１に光源３を配置するという極めて簡単な構成により、導光板２を全体的に白色で発光させることができる。このとき、各光源３が導光板２の全体にわたって均一に配置されることにより、導光板２の均一な発光状態を実現することができる。従って、製造コストを低減しつつ、発光装置１の薄型化及び小型化を図ることができる。

また、貫通孔２１を平面視にてコーナーが湾曲形成された正方形状とし、同じく正方形状の光源３をその内側に配置したので、円形の貫通孔と比べて、貫通孔２１を小型としつつ貫通孔２１への入射光量を大きくすることができる。一方、本実施形態においては、導光板２の入射時の屈折を利用するものであるが、各入射面の垂線に対して４５°未満の方向しか屈折光が放射されないため、単なる四角形形状では、光が放射されない方向が生じてしまう。これに対し、正方形状にコーナーを湾曲形成したことにより、光が放射されない方向が生じることを防止することができる。尚、湾曲形成の代わりにコーナーを面取り形状としても光が放射されない方向が生じないようにすることができるが、曲面の方が放射強度分布を滑らかにすることができる。さらに、ガラス封止部３４の上面３４ａと側面３４ｂとで、放射される光の色度が異なるものの、導光板２内で混光されるので、導光板２から出射される光に色度のばらつきはない。

尚、必ずしも光源３の上面３４ａの中心部に対する貫通孔２１の内面２４における立体角の割合を、上側半球の２πsteradianに対して９０％以上とする必要はないが、光学的効率のため７０％以上とすることが望ましい。さらに、光源３の光強度が最大となる方向に貫通孔２１の内面２４が存在するようにすることが望ましい。

また、本実施形態によれば、光源３のＬＥＤ３２に対して側面方向へ放射方向を制御する光学面を省き、さらに、ＬＥＤ素子３２をフリップチップ接続により実装したので、光源３の平面視の大きさを小さくすることができ、貫通孔２１の直径も小さくすることができる。これにより、光源３が面状発光装置１の端部だけでなく、中央部に配置されていても、小型で目立たないものとできる。また、導光板２を厚くすることなく、光軸を厚さ方向とした光源３の搭載が可能となる。例えば、図８に示すように、ＬＥＤ素子３２がワイヤボンディング接続により実装されている場合、ＬＥＤ素子３２の外側に、ワイヤループのための第１距離ａと、素子実装基板３３とワイヤ６９との接続のための第２距離ｂとが余計に必要となる。第１距離ａは例えば０．３〜０．５ｍｍであり、第２距離ｂは例えば０．２〜０．５ｍｍであることから、ワイヤボンディングの場合は、素子実装基板３３を前記実施形態の１．０ｍｍ角よりも大きいＬＥＤ素子３２の３倍以上にする必要がある。導光板２の貫通孔２１に関しては、実装や嵌合の公差が必要となるため、ＬＥＤ素子３２の５倍以上の大きさとなる。さらに、側面方向へ放射方向を制御する光学面を設ける場合には、素子実装基板３３をＬＥＤ素子３２の１０倍以上、導光板２の貫通孔２１を１２倍以上とする必要がある。

例えば、素子実装基板３３の大きさが２．５ｍｍ角となると、導光板２の貫通孔２１も例えば３．０ｍｍ角のように大きくする必要がある。そして、仮にこのような大きさで発光装置１を作製すると、搭載するＬＥＤ素子３２が同じであっても、光源３の上面３４ａの中心部を基準とした内面２４の立体角の割合は、３５％の低減となる。また、光源３の高さが変わらず、平面視の寸法が小さくなると、横方向への配光が相対的に増大する。尚、蛍光体が封止材料に分散されている場合、封止材の高さより平面方向の寸法が小さくなると、上方向と横方向の光の色度の差が顕著となり易いが、仮に色度の差が生じたとしても、導光板２内で混光させることができる。

また、本実施形態によれば、光源３の上面３４ａ及び側面３４ｂに光学的な加工を施す必要がないので光源３の作製も簡単容易である。この発光装置１の場合、むしろ光軸上に最大の光強度が存在しない配光の光源３が好ましく、立方体形状の光源３に加工を施すことなく、しかも単純な貫通孔２１を形成すればよいので、実用に際して極めて有利である。

尚、前記実施形態においては、ＬＥＤ素子３２をガラスにより封止した光源３を示したが、ＬＥＤ素子３２が素子実装基板３３に対してフリップチップ接続であり、平面視にて封止材の枠部分が存在しない光源３であれば、封止材を変更しても差し支えない。

熱融着ガラス封止ＬＥＤは、高さ方向の形成が容易で、素子実装基板と熱膨張率が同等、かつ、両部材の接合力が大きいので、封止材と素子実装基板の接合面積を小さくすることができる。そして、側面放射面を含む直方体形状としてあるので、側面の合計面積を上面に対して２倍以上、好ましくは４倍以上とすることによって、横方向の配光を広くすることができ望ましい。尚、例えば、図９に示すように、ＬＥＤ素子３２をシリコン樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂封止部３７で封止してもよい。図９の光源３では、樹脂封止部３７は、素子搭載基板３３上で半球状に形成されている。

また、例えば、図１０に示すように、ＬＥＤ素子３２を所定厚さの無機ペースト３８で封止してもよい。無機ペースト３８としては、例えば、ＳｉＯ_２系、Ａｌ_２Ｏ_３系、ＴｉＯ_２系等の材料を用いることができる。

また、前記実施形態においては、蛍光体３９がガラス封止部３４に分散されたものを示したが、例えば図１１に示すように、ガラス封止部３４の表面に蛍光体３９ａを塗布したものであってもよい。図１１においては、蛍光体３９ａの層がガラス封止部３４の上面３４ａにのみ塗布されている。この光源３では、上方へ出射される光と側方へ出射される光とで色度の差が生じるが、導光板２内で混光されるので、特に問題となることはない。そして、蛍光体の分散製造工程を省くとともに、同工程でのガラス材料の歩留まりの影響をなくすことができるため、製造コストの低減を図ることができる。

また、光源３は、面状発光装置１に格子点状に配列されているものに限らず、中央部が密にあるいは疎に配列されたものであってもよい。光源３が中央部を含む全体に配列されている面状発光装置１であれば、特に小型光源で導光板の屈折を利用し導光板２面内の３６０°方向に光を伝搬させ、かつ、光源が目立たない特徴を出すことができる。また、光源を導光板の周囲のみに配列したものとしても、光源が目立たない特徴を出すことができる。

また、前記実施形態においては、光源３が１つのＬＥＤ素子３２を有するものを示したが、光源が複数の発光素子を有するようにしてもよいことは勿論である。例えば、図１２（ａ）に示すように、正方形状の素子実装基板１３３に、縦方向及び横方向に整列した複数のＬＥＤ素子３２が搭載された光源１０３とすることもできる。この場合も、貫通孔１２１を正方形状に形成し、光源１０３を貫通孔１２１の中心に配置することが望ましい。図１２（ａ）においては、光源１０３は２．６ｍｍ角に形成され、貫通孔１２１は３．１ｍｍ角に形成されている。すなわち、貫通孔１２１の一辺の長さは、光源１０３の対角の長さよりも短くなっている。尚、貫通孔１２１の角部は、曲率半径が０．２５ｍｍとなるよう丸められている。図１２（ｂ）に示すように、光源１０３の素子搭載基板１３３は、裏面側の中央に放熱パターン１３６を有している。

放熱パターン１３６を備えた光源１０３は、図２に示されるような金属をベースとした搭載基板４に実装されるが、放熱パターン１３６に対応した位置の絶縁層４２を省略し、放熱パターン１３６と金属からなる基板本体４１とを直接あるいは共晶材等による金属接合を行うことにより、接合部分の熱抵抗を小さくして熱を搭載基板４全体に伝え易くし、放熱効率を格段に向上させることができる。また、この光源１０３においても、ガラス封止部１３４は、素子実装基板１３３と平行な上面１３４ａと、上面１３４ａの外縁から下方へ延び素子実装基板１３３と垂直な側面１３４ｂと、を有している。

また、例えば、図１３（ａ）に示すように、長方形状の素子実装基板２３３に、一列に整列した複数のＬＥＤ素子３２が搭載された光源２０３とすることもできる。この場合は、貫通孔２２１を光源２０３と略相似の長方形状に形成し、光源２０３を貫通孔２２１の中心に配置することが望ましい。これにより、図１３（ａ）中、２点鎖線で示す円形の孔よりも、貫通孔２２１の大きさを格段に小さくすることができる。図１３（ｂ）に示すように、光源２０３の素子搭載基板２３３は、裏面側の中央に放熱パターン２３６を有しており、裏面側の放熱パターン２３６の外側には回路パターン２３５が配置される。また、この光源２０３においても、ガラス封止部２３４は、素子実装基板２３３と平行な上面２３４ａと、上面２３４ａの外縁から下方へ延び素子実装基板２３３と垂直な側面２３４ｂと、を有している。尚、例えば、貫通孔２２１を両端に形成された半円部分と、各半円部分間で直線状に延びる直線部分とにより構成することもできる。これによっても、光源の対角の長さを直径とする円孔より、貫通孔２２１の平面視面積を格段に小さくすることができる。

ここで、図１４Ａ及び図１４Ｂを参照して、導光板の他面に対する貫通孔の内面の角度αについて詳述する。
導光板２を射出成形で形成する場合、図１４Ａに示すように、貫通孔２１にわずかなテーパー（傾斜）を形成する方が好ましい場合がある。ここで、図１４Ｂに、内面２４が９０°よりもどれだけ小さくなれば、上記式（１）及び上記（２）の伝搬の条件を満たすのかを、導光板２の屈折率ｎごとに示す。図１４Ｂに示すように、ｎが１．４５以下では式（１）（２）とも２．８°以下であればよい。ｎが１．５０以下では、式（１）については６．７°以下であれば伝搬の条件を満たし、式（２）については６．４°以下であれば伝搬の条件を満たす。ｎが１．５５以下では、式（１）については１０．４°以下であれば伝搬の条件を満たし、式（２）については９．６°以下であれば伝搬の条件を満たす。また、ｎが１．６０以下では、式（１）については１３．９°以下であれば伝搬の条件を満たし、式（２）については１２．６°以下であれば伝搬の条件を満たす。さらに、ｎが１．６５以下では、式（１）については１７．３°以下であれば伝搬の条件を満たし、式（２）については１５．４°以下であれば伝搬の条件を満たす。但し、導光板２表面の平坦性や、導光板２内部の屈折率が厳密に一定ではないことを考慮すると、基本的には内面２４を垂直面として、傾斜角は５°未満とすることが望ましい。

また、例えば図１５に示すように、光源３の上面３４ａと、導光板３０２の上面３２２とが同じ位置となるようにしてもよい。この場合、導光板３０２の厚さを薄くすることができるし、貫通孔３２１から外部へ直接出射される光の量を多くして、意匠的に光源３部分にアクセントを持たせることができる。

また、前記実施形態においては、貫通孔２１の上方が開放されているものを示したが、貫通孔２１の上方を塞ぐ部材を設け、反射による２次光も導光板２の伝搬光となるよう図ってもよい。例えば、図１６に示すように、貫通孔２１の上方を反射板５１により塞ぐことにより、貫通孔２１から上方へ進む光を導光板２の内面２４に入射させることができる。反射板５１は、導光板２の上面２２における貫通孔２１に対応する部分にのみ設けられる。この反射板５１の反射面は、表面の反射率が比較的高い材料、例えばアルミニウムとすると、効率良く鏡面反射を利用することができる。反射面がアルミニウムである場合、例えば、反射板５１自体をアルミニウム板としたり、反射板５１の反射面にアルミニウム箔を貼付すればよい。この場合、光源３から外部への直接光を遮断させることができ、直接光の放射を防止するときに効果的である。

また、例えば、図１７に示すように、反射板５２が導光板２の上面２２に全面的に形成されたものであってよい。この反射板５２は、例えば、主として拡散反射を利用するものである。この場合、反射板５２の内面には、白色拡散シートを用いることができる。前記実施形態においては、反射板５２へ入射する光の入射角が比較的小さくなるので、鏡面反射よりは拡散反射を利用する方が好ましい。

さらに、例えば、反射板から一部の光が透過するようにしてもよい。これにより、外部放射に必要な光量のみ外部へ取り出し、他の光は光導板１に入射することとなる。
また、搭載基板４は、アルミニウムをベースとしたものに限らず、マグネシウムや銅など他の金属をベースとしたものであってもよい。また、これらの金属上に絶縁層を設け、その上に回路パターンを形成したものに限らず、回路パターンがポリイミドや液晶ポリマー上に形成されたフレキシブル基板を金属板の上に備えたものであってもよい。

図１８は本発明の第２の実施形態を示し、（ａ）は発光装置の断面図、（ｂ）は発光装置の正面図である。
図１８（ａ）に示すように、この発光装置４０１は、湾曲形成された導光板４０２と、導光板４０２に形成される複数の貫通孔２１と、貫通孔２１に収容される光源３と、光源３と電気的に接続される搭載基板４０４と、を備えている。本実施形態においては、導光板４０２は、全体にわたって厚さが一定であり、断面にて半円状に形成されている。導光板４０２の厚さ、貫通孔２１の寸法等は第１の実施形態と同じである。

貫通孔２１は、導光板４０２の厚さ方向に平行に形成され、導光板４０２の内面及び外面と垂直となっている。本実施形態においては、光源３は、導光板４０２の内面側に配置される。本実施形態においても、貫通孔２１の内面を導光板４０２の内面と完全に垂直とする必要はなく、これらのなす角度αが上記式（１）を満たすようにすればよい。また、角度αが上記式（２）を満たすようにするとさらに好ましい

図１８（ｂ）に示すように、複数の貫通孔２１は、縦方向及び周方向に同じ間隔で形成される。また、光源３の搭載基板４０４は、縦方向に延び、周方向に複数並んで配置される。これにより、搭載基板４０４が湾曲した導光板４０２に沿って過度に撓むことのないようになっている。

以上のように構成された発光装置４０１は、図１８（ａ）に示すように、断面円形の柱状部４００に沿って配置される。これにより、前記実施形態の作用効果に加え、発光装置４０１を柱状部４００に設置される広告等の照明に用いることができ、実用に際して極めて有利である。特にこの際には、例えば屈折率１．４５以上で垂直孔、屈折率１．５０以上で傾斜角４°以下といったように、上記式（１）及び（２）が比較的余裕をもって満たされ、導光板２が半円状であることによる曲率影響を受けないものであることが望ましい。

図１９は本発明の第３の実施形態を示し、（ａ）は発光装置の平面図、（ｂ）は発光装置の断面図である。
図１９（ａ）に示すように、この発光装置５０１は、複数の発光ユニット５０８から構成される。各発光ユニット５０８は、第１の実施形態の発光装置１と同様の構成であり、導光板５０２と、貫通孔２１と、光源３と、搭載基板５０４と、を有している。本実施形態においては、各発光ユニット５０８は、正方形状に形成され、縦方向及び横方向に等間隔で並べられた複数の光源３を有する。

図１９（ｂ）に示すように、各発光ユニット５０８は、間隔をおいて配置され、各発光ユニット５０８の導光板５０２の端面間には空気層が形成されている。この空気層に白色反射板５０９が配置され、各発光ユニット５０８ごとに導光板５０２の面内の輝度の均一化が図られている。尚、各光源３間の縦方向及び横方向の距離は、空気層及び白色反射板５０９を跨ぐ場合であっても、跨がない場合と同じよう設定されている。

以上のように構成された発光装置５０１によれば、各発光ユニット５０８ごとに発光のオン及びオフや、発光の強度を制御することができる。また、導光板５０２の端面に白色反射剤を直接設けずに、空気層に白色反射板５０９を設けることにより、導光板５０２の端面付近の光量が増大することを抑制することができる。すなわち、導光板５０２の端面に直接白色塗装を行った場合、端面で散乱反射が生じる。これにより、導光板５０２から光が外部放射されるため、導光板５０２の端部周辺の輝度が高くなる。一方、導光板５０２の端面と白色反射板５０９との間に空気層がある場合、白色反射板５０９で散乱反射した光は、導光板５０２に再入射する際、導光板５０２の伝搬光となる角度に屈折するので、導光板５０２の端部周辺の輝度が高くなることを防ぐことができる。尚、これは、複数の発光ユニット５０８の場合だけでなく、単一の発光装置１等であっても同様である。
また、白色反射板５０９は、隣接する発光ユニット５０８へ光を至らせず、発光ユニット５０８毎の独立点灯を行うためにも効果がある。尚、白色反射板５０９を全ての発光ユニット５０８間には備えず、複数の発光ユニット５０８からなるグループの端部だけに設けるものとしてもよい。この場合、グループ内では隣接する発光ユニット５０８の導光板５０２へも光が伝わるため、グループ内の各発光ユニット５０８全体での輝度の均一化を図ることができる。

尚、前記実施形態においては、ＬＥＤ素子３２のｐ側電極６５がＩＴＯからなるものを示したが、例えば、ｐ側電極６５をＡｇ合金により構成してもよい。この場合、素子搭載基板３３へ漏れる光を減じて光源３の光取り出し効率を高めることができる。

さらには、ＬＥＤ素子３２のｐ側電極６５を、ＩＴＯからなるコンタクト電極と、Ａｌからなる表面反射層から形成することもできる。この場合も、素子搭載基板３３へ漏れる光を減じて光源３の光取り出し効率を高めることができる。

さらにまた、支持基板６０をサファイアとしたものを示したが、例えば、ＳｉＣやＧａＮのように導電性基板として電流を拡散するようにしてもよい。また、支持基板６０がＭＱＷ層６３と同じ屈折率で、屈折率が１．７以上のガラスと組み合わせることにより、ＬＥＤ素子３２からの光取り出し効率を向上させることができる。

また、前記各実施形態においては、導光板の両面に特に加工を施していないが、必要に応じて任意の加工を施してもよいことは勿論であり、例えば、導光板の少なくとも一方の面に反射加工を施すこともできる。

また、前記実施形態においては、発光素子としてＬＥＤ素子を用いた発光装置を説明したが、発光素子はＬＥＤ素子に限定されるものではないし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１発光装置
２導光板
３光源
４搭載基板
２１貫通孔
２２上面
２３下面
２４内面
３２ＬＥＤ素子
３３素子実装基板
３４ガラス封止部
３４ａ上面
３４ｂ側面
３９蛍光体
１０３光源
１２１貫通孔
１３３素子実装基板
１３４ガラス封止部
２０３光源
２２１貫通孔
２３３素子実装基板
２３４ガラス封止部
３０２導光板
３２１貫通孔
４０１発光装置
４０２導光板
４０４搭載基板
５０１発光装置
５０２導光板
５０４搭載基板

Claims

素子実装基板と、前記素子実装基板にフリップチップ接続により実装されたＬＥＤ素子と、前記素子実装基板上で前記ＬＥＤ素子を封止する封止部と、を有し、平面視にて四角形状である光源と、
前記光源を収容する貫通孔を一面側から他面側に延びるように、かつ、平面視にてコーナーが湾曲形成された四角形状となるように形成された導光板と、
前記導光板の他面側に設けられ、前記素子実装基板を回路パターンに接続することによって前記光源を搭載する搭載基板と、を備え、
前記貫通孔は、内面のうち前記光源から光が入射する範囲が前記導光板の厚さ方向に対して略平行であり、
前記光源は、前記素子実装基板の裏面と前記導光板の前記他面とが、前記導光板の厚さ方向について同じ高さ位置となっていることにより、前記封止部の表面が前記素子実装基板の分だけ前記導光板の前記他面よりも高い位置となるように前記貫通孔に収容され、前記貫通孔の前記導光板の前記一面側及び前記貫通孔の前記内面側へ光軸上の光強度が最大とはならない光を放射し、かつ、光軸が前記導光板の厚さ方向に対して平行であり、
前記導光板の前記他面に対する前記貫通孔の前記内面の角度をαとし、前記導光板の屈折率をｎとしたとき、
９０°−ｓｉｎ^−１[{ｓｉｎ（９０°−α）}／ｎ]＋α≧ｓｉｎ^−１（１／ｎ）
の式を満たす発光装置。
前記導光板の前記他面に対する前記貫通孔の前記内面の角度をαとし、前記導光板の屈折率をｎとしたとき、
α≦９０°−２×ｓｉｎ^−１[ｓｉｎ{（９０°−α）／ｎ}]
の式を満たす請求項１に記載の発光装置。
前記光源の前記素子実装基板側の端部と、前記導光板の前記他面とは、前記導光板の厚さ方向について同じ高さ位置である請求項２に記載の発光装置。
前記封止部は、熱融着ガラスである請求項３に記載の発光装置。
前記光源は、直方体形状であり、上面に対し側面が２倍以上の合計面積である請求項４に記載の発光装置。
前記封止部は、前記ＬＥＤ素子から発せられる光の波長を変換する蛍光体を有する請求項４または５に記載の発光装置。
前記導光板の一面側に設けられ、前記貫通孔を塞ぐ反射板を備える請求項４から６のいずれか１項に記載の発光装置。