JP6233503B2 - 発光モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、複数の発光素子が同一平面上に配列されてなる発光モジュールに関する。
近年、例えばＬＥＤ素子よりなる複数の発光素子が同一平面上に配列されてなる線状または面状の光源装置の開発が進んでいる。このような光源装置は、光処理装置、検査用装置、医療用装置などに利用されている。
このような光源装置においては、より高出力の光を得るために、単位面積あたりの発光素子の実装密度をより高くすることや、各々の発光素子からの光の取出し効率を向上させることなどが求められている。
一般に、発光素子からの光の取出し効率を向上させるための技術として、基板の表面上に配置された発光素子を例えばレンズ作用を有する透光性樹脂層によって封止する構造とすることが行われている（例えば特許文献１参照。）。
例えば、特許文献１には、図５に示すように、基板４１の一面４２上に複数の発光素子４５が実装された発光モジュール４０ａにおいて、複数の発光素子４５が一次元的に並んで配置され、透光性樹脂よりなるレンズアレイ５０が各々の発光素子４５を覆うよう設けられた構造とされることが記載されている。レンズアレイ５０は、各々の発光素子４５に対応するレンズ部５１が一体的に形成された構成とされている。
特開２００８−１０８８６１号公報
しかしながら、このような発光モジュールでは、各々の発光素子に対応するレンズ部が一体的に形成された構成とされているため、レンズ部を発光素子に対して適正な位置に設けることが困難であるという問題がある。また、発光素子の配列パターンやピッチ幅の大きさに応じたパターンでレンズ部を形成することが必要とされるため、汎用性が低く、製造時のコスト増が避けられない。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、複数の発光素子が同一平面上に配置されてなる発光モジュールにおいて、高い光取り出し効率を得ることができると共に、汎用性に優れ、有利に製造することのできる発光モジュールを提供することにある。
本発明の発光モジュールは、基板と、当該基板の一面上に並ぶよう設けられた複数の面状の発光素子と、当該基板の一面上において、当該複数の発光素子の各々が埋没する状態で各発光素子を覆うよう設けられた、当該複数の発光素子に共通の中間層と、この中間層の一面上に設けられた、前記発光素子の各々に対応する複数のレンズ素子とを備えており、
前記レンズ素子の各々は、球欠高さが曲率半径以下の大きさの球欠体状に形成されており、出射面を構成する球面に係る曲率中心が対応する発光素子の発光面と前記中間層の表面との間に位置されると共に、光軸が対応する発光素子の中心軸と一致する状態で、底面が前記中間層の一面に接合されており、
前記基板に垂直な断面において、レンズ素子の底面における外縁位置と、当該レンズ素子に対応する発光素子の発光面における当該発光素子の中心軸上の点とを結ぶ仮想直線の、当該発光素子の中心軸に対してなす角度を取込角θとしたとき、
前記レンズ素子の各々は、当該取込角θが５０度以上７０度以下となる状態で、形成されていることを特徴とする。
本発明の発光モジュールにおいては、前記レンズ素子の各々は、光学接着剤によって前記中間層の表面に接着された構成とすることができる。
さらにまた、本発明の発光モジュールにおいては、前記レンズ素子の屈折率が、前記中間層の屈折率よりも大きいことが好ましい。
本発明の発光モジュールにおいては、複数の発光素子の各々に対応するレンズ素子の各々が互いに別体として構成されている。さらに、各レンズ素子の底面が中間層の一面に接合された構成とされている。このような構成とされていることにより、発光素子の配列パターンやピッチ幅の大きさに制約を受けることがなく、レンズ素子を対応する発光素子の配置位置との関係において所要の位置に確実に形成することができる。従って、本発明の発光モジュールによれば、光の取り出し効率を向上させることができる。
また、本発明の発光モジュールによれば、レンズ素子を個別に形成すればよいので、高い汎用性を得ることができる。しかも、発光素子が目的に応じた配置パターンまたは配置ピッチで設けられた発光モジュールを有利に作製することができる。
さらにまた、本発明の発光モジュールにおいては、レンズ素子を構成する材料を中間層を構成する材料に応じて適宜変更することにより、レンズ素子の中間層に対する相対屈折率を調整することができる。従って、本発明の発光モジュールによれば、所要の配光特性を得ることができる。
本発明の発光モジュールの一例における構成の概略を示す平面図である。 図１に示す発光モジュールの一部を拡大して示す断面図である。 本発明の発光モジュールの製造工程の一例を概略的に示す図である。 本発明の発光モジュールの製造工程の他の例を概略的に示す図である。 従来の発光モジュールの一例における構成の概略を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の発光モジュールの一例における構成の概略を示す平面図である。図２は、図１に示す発光モジュールの一部を拡大して示す断面図である。
この発光モジュール１０においては、基板１１の一面１２上に、複数の面状の発光素子１５が例えば縦横に並んだ状態で実装されている。具体的には例えば、複数の面状の発光素子１５が、基板１１の一面１２上において仮想的に設定した平面格子（例えば長方格子）の各格子点上に配置されている。各々の発光素子１５は、ボンディングワイヤ（図示せず）によって基板１１の一面１２に形成された配線部（図示せず）に電気的に接続されている。
基板１１の一面１２上には、例えば透光性樹脂材料よりなる中間層２０が、複数の発光素子１５の各々が埋没する状態で、発光素子１５の周辺領域を覆うよう設けられている。さらに、中間層２０の一面２１上には、発光素子１５の各々に対応する複数のレンズ素子２５が設けられている。
発光素子１５は、例えば平面形状が矩形のＬＥＤチップにより構成されている。
発光素子１５の発光波長は、特に限定されず、青色波長域、緑色波長域、赤色波長域などの可視光域の発光波長を有するもの、紫外線域に発光波長を有するもの、赤外線域に発光波長を有するもののいずれであってもよい。
発光素子１５の発光面１６の縦横の寸法は、それぞれ０．２〜２．０ｍｍの範囲内であり、厚みは例えば５０〜５００μｍである。また、発光素子１５のピッチ幅Ｄｐは、例えば０．１〜２．０ｍｍである。ここに、ピッチ幅Ｄｐは、隣接する発光素子１５の中心間距離をいう。
基板１１を構成する材料としては、例えば、窒化アルミニウム、アルミナセラミックス、窒化珪素、ガラス繊維補強型エポキシ樹脂、シリコン（ＳｉＯ2 ）、銅、アルミニウムなどを例示することができる。
中間層２０を構成する材料としては、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂やエポキシ樹脂などの透光性を有する熱硬化性樹脂材料、あるいは、石英ガラスやホウ珪酸ガラスなどのガラス材などを例示することができる。
中間層２０の厚みは、発光素子１５の発光面１６からの突出高さＴが例えば０．０５〜０．５ｍｍとなる大きさであることが好ましい。
各々のレンズ素子２５は、例えば球欠高さＨが曲率半径Ｒ以下の大きさの球欠体形状、すなわち、半球あるいは半球より球欠高さＨの小さい球欠体状に形成されている。各々のレンズ素子２５は、光軸Ｌが対応する発光素子１５の中心軸Ｃと一致する状態で、設けられている。ここに、発光素子１５の中心軸Ｃとは、発光面１６の中央位置において法線方向に延びる軸をいう。この例におけるレンズ素子２５は、いずれも同一の形状を有しており、例えば、出射面２６を構成する球面の曲率半径Ｒおよび球欠高さＨが同一の大きさとされている。
各々のレンズ素子２５は、取込角θが５０度以上９０度未満となる状態で、形成されていることが好ましい。取込角θは、基板１１に垂直な断面において、レンズ素子２５の底面２７における外縁位置Ｐと、当該レンズ素子２５に対応する発光素子１５の発光面１６における当該発光素子１５の中心軸Ｃ上の点Ｏとを結ぶ仮想直線Ｘの、当該発光素子１５の中心軸Ｃに対してなす角度である。
取込角θの大きさが上記範囲内であることにより、レンズ素子２５は、発光素子１５の発光面１６における出射光の分布（ランバーシアン配光）に対応する形状を有するものとなる。従って、高い光の取り出し効率を確実に得ることができる。
各々のレンズ素子２５の最大外径Ｄは、例えば０．４〜３ｍｍであり、レンズ素子２５の曲率半径Ｒは、例えば０．２〜１．５ｍｍである。
レンズ素子２５を構成する材料としては、中間層２０を構成する材料として例示したものを用いることができる。レンズ素子２５は、中間層２０と同一の材料によって形成されていても、異なる材料によって形成されていてもよいが、中間層２０を構成する材料の屈折率より大きい屈折率を有する材料により形成されていることが好ましい。これにより、図２に示すように、中間層２０からレンズ素子２５へ光が進行していくときに、両者の境界面に対して中間層２０から入射角αで入射する光は、入射角αより小さい屈折角βでレンズ素子２５に進行することとなる。従って、中間層２０およびレンズ素子２５の両者の境界面において全反射が生じることを確実に抑えることができる。ここに、レンズ素子２５の中間層２０に対する屈折率（相対屈折率）は、例えば１．０〜１．４であることが好ましい。
而して、上記の発光モジュール１０においては、各々のレンズ素子２５は、底面２７が中間層２０の一面２１に接合されて設けられた構成とされている。さらに、各々のレンズ素子２５は、出射面２６を構成する球面の曲率中心Ｆが、対応する発光素子１５の発光面１６と中間層２０の一面２１との間に位置された状態で、設けられている。発光素子１５の発光面１６と中間層２０の一面２１との間の位置は、中間層２０の一面２１上の位置を含むものとする。
具体的には、各々のレンズ素子２５は、底面２７が例えば光学接着剤によって中間層２０の一面２１に接着されている。光学接着剤としては、例えば透光性を有する熱硬化性樹脂接着剤を用いることができる。
上記構成の発光モジュール１０は、例えば次のようにして製造することができる。
先ず、図３（ａ）に示すように、複数の発光素子１５が実装された基板１１の一面１２上に、金型（図示せず）を用いて中間層２０を所定の厚みで形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、底面に光学接着剤３０が塗布されたレンズ素子材料２５ａを中間層２０の一面２１上における各々の発光素子１５に対応する位置に配置する。その後、光学接着剤３０を加熱して光学接着剤３０を硬化させることにより、レンズ素子材料２５ａを中間層２０に接合してレンズ素子２５を形成する。以って、図１に示す発光モジュール１０を得ることができる。
また、本発明の発光モジュールは、複数の発光素子１５が実装された基板１１の一面１２上に、金型（図示せず）を用いて中間層２０を所定の厚みで形成した後、ポッティング（樹脂盛り）加工を施すことによってレンズ素子２５を形成することにより、製造することもできる。具体的には、図４（ａ）に示すように、中間層２０の一面２１上における各々の発光素子１５に対応する位置に、例えば液状の熱硬化性樹脂材料よりなるレンズ素子形成材料Ｔｒをディスペンサー３５によって滴下する。次いで、図４（ｂ）に示すように、所定のレンズ形状を有するレンズ素子用材料層２５ｂを中間層２０の一面２１上に形成する。その後、レンズ素子用材料層２５ｂの加熱処理を行って当該レンズ素子用材料層２５ｂを硬化させることにより、底面２７が中間層２０の一面２１に接着（接合）されたレンズ素子２５を形成し、以って、本発明に係る発光モジュールを得ることができる。
而して、上記の発光モジュール１０においては、複数の発光素子１５の各々に対応するレンズ素子２５の各々が互いに別体として構成されている。さらに、各レンズ素子２５の底面２７が中間層２０の一面２１に接合された構成とされている。このような構成とされていることにより、発光素子１５の配列パターンやピッチ幅Ｄｐの大きさに制約を受けることがなく、レンズ素子２５を対応する発光素子１５の配置位置との関係において所要の位置に確実に形成することができる。従って、上記構成の発光モジュール１０によれば、光の取り出し効率を向上させることができる。また、上記構成の発光モジュール１０によれば、レンズ素子２５を個別に形成すればよいので、高い汎用性を得ることができる。しかも、発光素子１５が目的に応じた配置パターンまたは配置ピッチで設けられた発光モジュールを有利に作製することができる。
さらにまた、上記の発光モジュール１０においては、レンズ素子２５を構成する材料を中間層２０を構成する材料に応じて適宜変更することによりレンズ素子２５の中間層２０に対する相対屈折率を調整することができる。従って、上記構成の発光モジュール１０によれば、所要の配光特性を確実に得ることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明の発光モジュールにおいては、発光素子が一次元的に配置された構成、換言すれば発光素子が一方向に並ぶ状態で配置された構成とされていてもよい。また、基板上に実装される発光素子の数は、特に限定されるものではない。
さらにまた、レンズ素子は、互いに同一の形状であっても、互いに異なる形状であってもよい。
以下、本発明の実験例について説明する。
＜実験例１＞
図１および図２に示す構成に従って、本発明に係る発光モジュール（以下、「発光モジュール（Ａ）」という。）を作製した。この発光モジュール（Ａ）の仕様は、次に示す通りである。
〔発光素子（１５）〕
寸法１ｍｍ（縦方向）×１ｍｍ（横方向）×０．１１ｍｍ（厚み）のＬＥＤチップ
個々のＬＥＤチップの出力：０．８２Ｗ
ＬＥＤチップの発光波長（ピーク波長）：３９５ｎｍ
ＬＥＤチップの個数：図１における上下方向に４個，図１における左右方向に１０個
ＬＥＤチップのピッチ幅（Ｄｐ）；２ｍｍ
〔中間層（２０）〕
材質：シリコーン樹脂
厚み：０．４３ｍｍ
ＬＥＤチップの発光面からの突出高さ（Ｔ）：０．３２ｍｍ
〔レンズ素子（２５）〕
材質：シリコーン樹脂
形状：半球状
出射面の曲率中心（Ｆ）の位置：中間層の一面上
出射面の曲率半径（Ｒ）：０．９ｍｍ、最大外径（Ｄ）：１．８ｍｍ
取込角（θ）：７０度
＜実験例２＞
レンズ素子を出射面の曲率半径（Ｒ）が０．９ｍｍ、取込角（θ）が５５度となる形状で形成したことの他は、実験例１において作製した発光モジュールと同一の構成を有する発光モジュール（以下、「発光モジュール（Ｂ）」という。）を作製した。
＜実験例３＞
中間層の厚みを１．１７ｍｍで形成したことの他は、実験例１において作製した発光モジュールと同一の構成を有する発光モジュール（以下、「発光モジュール（Ｃ）」という。）を作製した。この発光モジュール（Ｃ）における取込角（θ）は４０度である。
また、中間層およびレンズ素子を形成しなかったことの他は、発光モジュール（Ａ）と同一の構成を有する発光モジュール（以下、「参考発光モジュールという。」）を作製した。
以上のようにして得られた発光モジュール（Ａ）〜発光モジュール（Ｃ）、参考発光モジュールの各々について、放射される光の全放射光束を測定した。そして、参考発光モジュールの全放射光束を１００％としたときの発光モジュール（Ａ）〜（Ｃ）の全放射光束の相対値を求めた。この結果、発光モジュール（Ａ）の全放射光束は１１２％、発光モジュール（Ｂ）の全放射光束は１０８％、発光モジュール（Ｃ）の全放射光束は９６％であった。
１０ 発光モジュール
１１ 基板
１２ 一面
１５ 発光素子
１６ 発光面
２０ 中間層
２１ 一面
２５ レンズ素子
２５ａ レンズ素子材料
２５ｂ レンズ素子用材料層
２６ 出射面
２７ 底面
３０ 光学接着剤
３５ ディスペンサー
Ｔｒ レンズ素子形成材料
４０ａ 発光モジュール
４１ 基板
４２ 一面
４５ 発光素子
５０ レンズアレイ
５１ レンズ部

Claims (3)

  1. 基板と、当該基板の一面上に並ぶよう設けられた複数の面状の発光素子と、当該基板の一面上において、当該複数の発光素子の各々が埋没する状態で各発光素子を覆うよう設けられた、当該複数の発光素子に共通の中間層と、この中間層の一面上に設けられた、前記発光素子の各々に対応する複数のレンズ素子とを備えており、
    前記レンズ素子の各々は、球欠高さが曲率半径以下の大きさの球欠体状に形成されており、出射面を構成する球面に係る曲率中心が対応する発光素子の発光面と前記中間層の表面との間に位置されると共に、光軸が対応する発光素子の中心軸と一致する状態で、底面が前記中間層の一面に接合されており、
    前記基板に垂直な断面において、レンズ素子の底面における外縁位置と、当該レンズ素子に対応する発光素子の発光面における当該発光素子の中心軸上の点とを結ぶ仮想直線の、当該発光素子の中心軸に対してなす角度を取込角θとしたとき、
    前記レンズ素子の各々は、当該取込角θが５０度以上７０度以下となる状態で、形成されていることを特徴とする発光モジュール。
  2. 前記レンズ素子の各々は、光学接着剤によって前記中間層の一面に接着されて設けられてい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. 前記レンズ素子の屈折率が、前記中間層の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光モジュール。
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