JP6099901B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は発光素子からの光を波長変換する波長変換層を備える発光装置に関する。
発光装置として、発光素子からの光の一部分を波長変換層の蛍光体で異なる波長の光に変換し、これと発光素子からの光の他の部分とを混合してたとえば白色光を発生するものがある。
上述の発光装置において、発光効率を向上させるために、波長変換層の蛍光体濃度をたとえば50%以上の高濃度にすることにより波長変換効率を向上させることが知られている。この場合、蛍光体濃度を大きくした分、所望の色度を得るためには、波長変換層を高精度に薄くする必要がある。
図７は高濃度の蛍光体濃度を有しかつ精度よく薄くした波長変換層を備える従来の発光装置を示す断面図である（参照：特許文献１の図６）。
図７において、サブマウント基板１上にフリップチップ型の発光素子２がバンプ３を用いて実装されている。発光素子２上に蛍光体粒子４ａ及びスペーサ４ｂを含む波長変換層４を介して透明板状部材５が搭載されている。また、発光素子２を囲むようにサブマウント基板１上に枠体６が接着されている。さらに、発光素子２、波長変換層４及び透明板状部材５と、枠体６との間に、反射材料層７が形成されている。この反射材料層７の表面は透明板状部材５の上端エッジから枠体６の上端に向って直線あるいは曲線となっている。
図７において、スペーサ４ｂの粒径によって波長変換層４の厚さが規定されると共に、透明板状部材５が発光素子２と平行とされる。従って、蛍光体粒子４ａの濃度を高くして発光効率を高めたとき、波長変換層４を精度よく薄くできるので所望の色度を得ることができる。
上述の反射材料層７はその反射作用により透明板状部材５から反射材料層７への漏れ光を減少させ、これにより、反射材料層７の上面（つまり、非光取り出し面）からの出射光Ｘと透明板状部材５の上面（つまり、光取り出し面）からの出射光Ｙとの比（以下、輝度比Ｘ／Ｙとする）を小さくできる。
特開２０１２−３３８２３号公報
しかしながら、図７に示す従来の発光装置においては、反射材料層７の反射率は実際には90数%であり、数％の透過を許している。従って、図８に示すように、反射材料層７の透過率に従って漏れ光Ｌが透明板状部材５から反射材料層７の内部に漏れて透明板状部材５の上端エッジ近傍の反射材料層７の上面から出射する。このとき、透明板状部材５の垂直側面５ａ、５ｂからの出射光は円形状のランバーシアン分布Ｄとなり、漏れ光Ｌはランバーシアン分布Ｄと透明板状部材５の表面形状とが交差して囲む斜線部の大きさで代表的に表わすことができる。従って、図７に示す従来の発光装置においては、この漏れ光Ｌが未だ大きく、従って、輝度比Ｘ／Ｙが大きいという課題がある。特に、自動車用ヘッドランプにおいては、カットオフラインを鮮明にするために小さな輝度比Ｘ／Ｙが要求される。
上述の課題を解決するために本発明に係る発光装置は、基板と、基板上に実装された複数の発光素子と、複数の発光素子上に波長変換層を介して搭載された透明板状部材と、複数の発光素子、波長変換層及び透明板状部材の側面を覆う反射材料層とを具備し、透明板状部材の一方の長辺側の側面のみが基板の複数の発光素子側に傾斜し、側面の複数の発光素子側の端縁が側面の透明板状部材表面側の端縁よりも複数の発光素子側に位置しているものである。
本発明によれば、透明板状部材の一方の長辺側の側面のみからの出射のランバーシアン分布が傾斜する分、ランバーシアン分布と反射材料層の上面形状とが交差して囲む領域が小さくなるので、透明板状部材の当該側面から反射材料層の内部への漏れ光は少なくなり、従って、当該側面での輝度比Ｘ／Ｙを小さくなり、発光装置をヘッドライト光源として用いた場合に、鮮明なカットオフラインを形成できる。
本発明に係る発光装置の実施の形態を示す断面図である。 図１の発光装置の漏れ光を説明する部分拡大断面図である。 図１の発光装置の比較例を示す透明板状部材の断面図である。 図１の発光装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１の発光装置を自動車用ヘッドライトに適用した場合の上面図である。 図５の発光装置を自動車用ヘッドライトとして用いてスクリーン上に投影した図である。 従来の発光装置を示す断面図である。 図７の発光装置の漏れ光を説明する部分拡大断面図である。
図１は本発明に係る発光装置の実施の形態を示す断面図である。
図１においては、図７の透明板状部材５の代りに透明板状部材５’を設けてある。透明板状部材５’の傾斜側面５’ａ、５’ｂは発光素子２の垂直方向に対して発光素子２側に傾斜している。これにより、図２に示すように、透明板状部材５’の傾斜側面５’ａ、５’ｂからの出射のランバーシアン分布Ｄが傾斜する分、ランバーシアン分布Ｄと反射材料層７の上面形状とが交差して囲む斜線領域が小さくなるので、透明板状部材５’から反射材料層７を経た外部への漏れ光Ｌは少なくなり、従って、輝度比Ｘ／Ｙを小さくできる。
透明板状部材の側面を傾斜する方法は、図１に示す方法以外にも、図３に示す比較例が考えられるが、いずれの比較例も光取り出し面の色調が変化するという欠点がある。
図３の（Ａ）に示す比較例Ａの場合には、単に透明板状部材５Ａを傾斜させるだけで一方の側面を基板の垂直方向に対して発光素子側に傾斜させることができるが、他方の側面は基板の垂直方向に対して発光素子と反対側へ傾斜する。この結果、一方の側面側の輝度比Ｘ／Ｙを小さくできるが、他方の側面側の漏れ光は大きくなって輝度比Ｘ／Ｙが大きくなる。また、透明板状部材５Ａの下の波長変換層の厚さが変化するので、波長変換層を通る光路長も変化し、この結果、光取り出し面の色調が変化する。
図３の（Ｂ）に示す比較例Ｂの場合には、透明板状部材５Ｂをその中央部で曲げることにより両方の側面を基板の垂直方向に対して発光素子側に傾斜させることができる。この結果、両方の側面側の輝度比Ｘ／Ｙを小さくできる。しかし、透明板状部材５Ｂの下の波長変換層の厚さが変化するので、波長変換層を通る光路長も変化し、この結果、光取り出し面の色調が変化する。
図３の（Ｃ）に示す比較例Ｃの場合には、透明板状部材５Ｃを２ヶ所で曲げることにより両方の側面を基板の垂直方向に対して発光素子側に傾斜させることができる。この結果、両方の側面側の輝度比Ｘ／Ｙを小さくできる。この場合も、透明板状部材５Ｃの下の両側の波長変換層の厚さが変化するので、その部分の波長変換層を通る光路長も変化し、この結果、光取り出し面の色調が変化する。但し、図３の（Ａ）、（Ｂ）の比較例Ａ、Ｂに比較して色調の変化領域は小さくなる。
図３の（Ｄ）に示ように、本発明の透明板状部材５’は、単に側面を斜めにカットして逆台形状にするだけで両方の側面を基板の垂直方向に対して発光素子側に傾斜させることができる。この結果、両方の側面側の輝度比Ｘ／Ｙを小さくできる。しかも、透明板状部材５’の下の波長変換層の厚さは変化しないので、波長変換層を通る光路長も変化せず、この結果、光取り出し面の色調は変化しない。
次に、図１の発光装置の製造方法を図４の製造フローを参照して説明する。
始めに、ステップ４０１にて、厚さ約0.1mm、サイズ約1.2mm×1.2mmのガラスよりなる透明板状部材の両側面を斜めにカットして逆台形状の透明板状部材５’を準備する。
次に、ステップ４０２にて、フリップチップ型のたとえば厚さ0.1mmの青色発光ダイオード（LED）発光素子２をAu等のバンプ３を介してサブマウント基板１の配線パターン（図示せず）上に実装する。サブマウント基板１はたとえばAlNにより構成される。
次に、ステップ４０３にて、波長変換層４を発光素子２及び透明板状部材５’の両方もしくは一方に塗布する。この波長変換層４はＹＡＧ等の黄色蛍光の蛍光体粒子４ａ及びガラス等のスペーサ４ｂをシリコーン樹脂、エポキシ樹脂等で予め混練した未硬化のペーストである。この場合、蛍光体粒子４ａの粒径はスペーサ４ｂの粒径より小さい。蛍光体粒子４ａの濃度たとえば13〜90wt.%が発光効率を決定する。また、スペーサ４ｂの粒径が波長変換層４の厚さを決定する。従って、スペーサ４ｂの粒径たとえば約30〜200μmが高精度に形成されていれば、波長変換層４の厚さも高精度に決定され、この結果、次のステップ４０４の搭載ステップ後に透明板状部材５’は発光素子２と平行となる。
次に、ステップ４０４にて、逆台形状の透明板状部材５’をペースト状の波長変換層４を介して発光素子２上に搭載して波長変換層４を硬化させる。このとき、波長変換層４の側面はその表面張力によって発光素子２まで及ぶ。
次に、ステップ４０５にて、たとえばセラミックよりなるリング状の枠体６をサブマウント基板１の周囲部に接着剤等によって接着する。
最後に、ステップ４０６にて、発光素子２、波長変換層４及び透明板状部材５’と、枠体６との間に反射材料層７を充填する。反射材料層７はたとえば酸化チタン、酸化亜鉛等の反射性フィラを分散させたシリコーン樹脂である。この場合、透明板状部材５’の高さと枠体６の高さとが同一であれば、反射材料層７の上面は平面となるが、透明板状部材５’が枠体６より高ければ、反射材料層７の上面は曲面となる。
図１、図２においては、透明板状部材５’の両側面を傾斜させているが、少なくとも一方の側面を傾斜させてもよい。たとえば、本発明を自動車用ヘッドライトに適用した場合には、図５に示すように、カットオフライン側のみの側面を傾斜させればよい。
図５は本発明を自動車用ヘッドライトに適用した発光装置の上面図である。
図５に示すように、１つのサブマウント基板１に４つの発光素子２−１、２−２、２−３、２−４を実装し、４つの発光素子２−１、２−２、２−３、２−４上に波長変換層（図示せず）を介して１つの透明板状部材５’を搭載する。このとき、透明板状部材５’の一方の長辺側の側面５’ａのみ傾斜させる。また、発光素子２−１、２−２、２−３、２−４、波長変換層及び透明板状部材５と、枠体６との間に、反射材料層７が充填されている。
図６は図５の発光装置をヘッドライト光源として用い、ヘッドライト光源の前方の垂直な仮想上のスクリーン１１上に投影した場合を示す図である。この場合、透明板状部材５’の傾斜側面と反射材料層７との間の境界の投影像がスクリーン１１上の配光パターン１２のカットオフライン１２ａとして水平方向Ｈに平行な理想的な直線状として形成される。このとき、反射材料層７の上面（つまり、非光取り出し面）からの出射光と透明板状部材５’の上面（つまり、光取り出し面）からの出射光との比である輝度比Ｘ／Ｙが小さいことから、鮮明なカットオフライン１２ａを形成することができる。尚、図６のスクリーン１１の垂直方向Ｖは高さを示し、水平方向Ｈとの交点が運転者のほぼ目の高さに相当する。
尚、上述の実施の形態においては、発光素子としてフリップチップ型を採用しているが、本発明はフェースアップ型の発光素子にも適用できる。また、図４の製造フローのステップ４０５において、説明においてはリング状の枠体６をサブマウント基板１の上に置いたが、サブマウント基板１とリング状の枠体６を共通する実装基板（図示せず）上に固定し、サブマウント基板１とリング状の枠体６とが接着されなくてもよい。
本発明は、上述の自動車用ヘッドライト以外に、投光機、屋内照明、野外照明、プロジェクタ用光源にも利用できる。
１：サブマウント基板
２、２−１、２−２、２−３、２−４：発光素子
３：バンプ
４：波長変換層
４ａ：蛍光体粒子
４ｂ：スペーサ
５、５’：透明板状部材
５ａ、５ｂ：垂直側面
５’ａ、５’ｂ：傾斜側面
６：枠体
７：反射材料層

Claims (4)

  1. 基板と、
    該基板上に実装された複数の発光素子と、
    該複数の発光素子上に波長変換層を介して搭載された透明板状部材と、
    前記複数の発光素子、前記波長変換層及び前記透明板状部材の側面を覆う反射材料層と
    を具備し、
    前記透明板状部材の一方の長辺側の側面のみが前記基板の前記複数の発光素子側に傾斜し、前記側面の前記複数の発光素子側の端縁が前記側面の前記透明板状部材表面側の端縁よりも前記複数の発光素子側に位置している発光装置。
  2. さらに、前記複数の発光素子の周囲に設けられた枠体を具備し、
    前記反射材料層は、前記複数の発光素子、前記波長変換層及び前記透明板状部材と、前記枠体との間に設けられている請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記波長変換層は蛍光体粒子及びスペーサを含み、波長変換層の厚さは該スペーサの粒径によって決定される請求項１に記載の発光装置。
  4. 前記波長変換層の厚さは、前記透明板状部材が前記複数の発光素子に平行となるように、決定される請求項３に記載の発光装置。
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