JPH0818107A

JPH0818107A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JPH0818107A
Application number: JP6172102A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Suehiro; 好伸末広; Takashi Sato; 敬佐藤
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】光を効率よく一点に集光させることができ、
しかも薄型化を図ることができる発光ダイオードを提供
する。【構成】発光素子１２、リード１４ａ，１４ｂの先端
部及びワイヤ１６は光透過性材料１８により封止され
る。発光素子１２の背面側にある光透過性材料１８の面
には平坦な放射面２４が形成され、発光素子１２の発光
面に対向する側にある光透過性材料１８の面には凹面状
反射面２２が形成される。この凹面状反射面２２は、曲
線【数１】をｚ軸の回りに回転した回転面であって、発光素子１２
のｚ軸上の点から発し凹面状反射面２２で反射された光
が放射面２４で屈折した後、一点に集光するように形成
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光素子が発する光を
凹面状反射面で反射した後に外部に放射する発光ダイオ
ードに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、センサ用光源や光ファイバ用
光源として、発光ダイオードの発光素子から発せられた
光を所定位置へ効率よく集光できる種々の構造の発光ダ
イオードが案出されている。一般に、発光ダイオードと
しては、発光素子を光透過性材料で封止し、発光素子が
発し光透過性材料から放射される光をさらにレンズで所
定位置に集光する方式が採られている。しかし、この方
式では、発光素子から発された光の利用効率が悪く、し
かも発光ダイオードを薄型にできないという欠点があ
る。

【０００３】これに対して、発光ダイオードを反射型構
造とすることにより、光の利用効率を向上させ、薄型化
の改善を図ることができる。この反射型の発光ダイオー
ドは、発光素子を光透過性材料で封止し、光透過性材料
の一方の面に凹面状反射面を、他方の面に放射面を形成
したものである。発光素子から発された光を所定の位置
に集光させるには、凹面状反射面と放射面を所定の形状
に形成する必要があり、かかる面形状の組合せには、一
般に、次の二つの場合が知られている。

【０００４】第一の場合は、図４に示すように、凹面状
反射面６２ａを回転楕円面として、この回転楕円面の一
方の焦点に発光素子５２を配置し、もう一方の焦点を光
の集光点Ｐとなるようにする。そして、放射面６４ａ
を、集光点Ｐを中心とした球面とする。回転楕円面の一
方の焦点に位置する発光素子５２上の一点から発された
光は、凹面状反射面６２ａで反射された後、回転楕円面
のもう一方の焦点である集光点Ｐに向かって進む。かか
る光は、球面である放射面６４ａに垂直に入射するた
め、放射面６４ａで屈折せず、そのまま集光点Ｐに集光
する（発光素子５２の一点から発する光が点Ｐに集光す
るものとしても、集光点は光源の大きさに対応する大き
さとなる。）。

【０００５】また、第二の場合は、図５に示すように、
凹面状反射面６２ｂを回転放物面とし、この回転放物面
の焦点に発光素子５２を配置する。そして、放射面６４
ｂを、所定の集光点Ｐを焦点とする回転楕円面とする。
発光素子５２上の一点から発された光は、凹面状反射面
６２ｂで反射された後、平行光となって放射面６４ｂに
入射し、放射面６４ｂで屈折して、集光点Ｐに集光す
る。尚、図４及び図５において、発光ダイオードと集光
点Ｐとの距離Ｌを３ｍｍとしている。また、５８は光透
過性材料である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
反射型の発光ダイオードでは、光を効率よく一点に集光
させる場合、上記のように放射面６２ａ，６２ｂを平坦
面でなく、凹状又は凸状に形成する必要がある。このた
め、放射面６２ａ，６２ｂの曲面形状の分だけ発光ダイ
オードの高さＴが大きくなり、より一層の薄型化を図る
ことができないという問題があった。しかも、放射面６
２ａを凹状に形成することにより、放射面６２ａにゴミ
が溜まりやすくなり、また、放射面６２ｂを凸状に形成
することにより、放射面６２ｂに傷が付きやすくなる。
かかる場合、放射面６２ａ，６２ｂの表面にガラス等の
材料による平坦なカバー板を設けることが考えられる
が、カバー板での光の屈折により光が所定位置に集光し
なくなるという問題が生じる。

【０００７】尚、特開平６−８５３１４の公報におい
て、放射面を平坦面、凹面状反射面を半球面として、発
光素子から発せられた光を一点に集光させる例が記載さ
れている。しかし、実際に放射面を平坦面とした場合、
凹面状反射面を、球面、楕円面、放物面等のよく知られ
た二次曲面としたのでは、発光素子からその中心軸に対
して大きな角度方向に発せられた光と小さな角度方向に
発せられた光とを効率よく一点に集光することは困難で
ある。

【０００８】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、光を効率よく一点に集光させることができ、し
かも薄型化を図ることができる発光ダイオードを提供す
ることを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの請求項１記載の発明は、発光素子と、前記発光素子
に電力を供給するリード部と、前記発光素子が発した光
を反射する凹面状反射面と、前記発光素子が発し前記凹
面状反射面で反射された光を外部に放射する放射面と、
前記凹面状反射面と前記放射面との間に充填する光透過
性材料とを有する発光ダイオードにおいて、前記放射面
を平坦に形成すると共に、前記凹面状反射面を、曲線

【数３】をｚ軸の回りに回転した回転面であって、前記発光素子
のｚ軸上の点から発し前記凹面状反射面で反射された光
が前記放射面で屈折した後、一点に集光するように形成
したことを特徴とするものである。

【００１０】上記の目的を達成するための請求項２記載
の発明は、発光素子と、前記発光素子に電力を供給する
リード部と、前記発光素子が発した光を反射する凹面状
反射面と、前記発光素子が発し前記凹面状反射面で反射
された光を外部に放射する放射面と、前記凹面状反射面
と前記放射面との間に充填する光透過性材料とを有する
発光ダイオードにおいて、前記放射面を平坦に形成し、
前記放射面の前面に平坦な光透過性板を設けると共に、
前記凹面状反射面を、曲線

【数４】をｚ軸の回りに回転した回転面であって、前記発光素子
のｚ軸上の点から発し前記凹面状反射面で反射された光
が前記放射面及び前記光透過性板の表面で屈折した後、
一点に集光するように形成したことを特徴とするもので
ある。

【００１１】

【作用】請求項１記載の発明は前記の構成によって、放
射面を平坦に形成すると共に、凹面状反射面を、（１）
式に示す曲線をｚ軸の回りに回転した回転面であって、
発光素子のｚ軸上の点から発し凹面状反射面で反射され
た光が放射面で屈折した後、一点に集光するように形成
したことにより、発光素子からその中心軸に対して大き
な角度方向に発せられた光と小さな角度方向に発せられ
た光とを効率よく一点に集光させることができる。ま
た、従来のような放射面を曲面状とした場合に比べて、
発光ダイオードの薄型化を図ることができると共に、表
面にキズが付きにくく、またゴミも溜まりにくくなる。

【００１２】請求項２記載の発明は前記の構成によっ
て、放射面を平坦に形成し、放射面の前面に平坦な光透
過性板を設けると共に、凹面状反射面を、（２）式に示
す曲線をｚ軸の回りに回転した回転面であって、発光素
子のｚ軸上の点から発し凹面状反射面で反射された光が
放射面及び光透過性板の表面で屈折した後、一点に集光
するように形成したことにより、発光素子からその中心
軸に対して大きな角度方向に発せられた光と小さな角度
方向に発せられた光とを効率よく一点に集光させること
ができる。また、従来のような放射面を曲面状とした場
合に比べて、発光ダイオードの薄型化を図ることができ
る。更に、光透過性板の材質として、ＳｉＯ₂やＡｌ₂
Ｏ₃等を用いることにより、表面強度や耐油性等の向上
を図ることができる。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明の第一実施例について図面を
参照して説明する。図１（ａ）は本発明の第一実施例で
ある発光ダイオードの概略正面図、図１（ｂ）はその発
光ダイオードの概略側面図、図１（ｃ）はその発光ダイ
オードのＡ−Ａ矢視方向概略断面図、図２はその発光ダ
イオードの発光素子から発された光の光路を示す図であ
る。

【００１４】図１に示す発光ダイオードは、いわゆる反
射型のものであり、発光素子１２と、リード１４ａ，１
４ｂと、ワイヤ１６と、光透過性材料１８と、凹面状反
射面２２と、放射面２４とを備えるものである。ここで
は、所定位置への照射光量を多くするために、発光ダイ
オードからの光を効率よく一点に集光させる場合を考え
る。

【００１５】発光素子１２は、一方のリード１４ａ上に
マウントされ、他方のリード１４ｂとはワイヤ１６によ
り電気的に接続されている。また、発光素子１２、リー
ド１４ａ，１４ｂの先端部及びワイヤ１６は光透過性材
料１８により一体的に封止されている。ここで、光透過
性材料１８としては、エポキシ樹脂（屈折率ｎ＝１．
５）を用いている。発光素子１２の発光面に対向する側
には回転面状の凹面状反射面２２が形成されている。凹
面状反射面２２は光透過性材料１８の一方の面に鍍金や
金属蒸着等によって鏡面加工を施したものであり、この
鏡面加工の際には二本のリード１４ａ，１４ｂ間の短絡
を防止するために、リード１４ａ，１４ｂに絶縁を施す
必要がある。一方、発光素子１２の背面側にある光透過
性材料１８の面には平坦な放射面２４が形成されてい
る。この放射面２４が形成された部分は、図１（ａ），
（ｂ）に示すように、円柱形状に突出している。

【００１６】尚、図１及び図２において、ｚ軸は凹面状
反射面２２の中心軸方向、ｘ軸は凹面状反射面２２の端
縁を含む面におけるｚ軸に垂直な方向である。また、ｙ
軸はｘ軸及びｚ軸に垂直な方向である。発光素子１２は
ｚ軸上に配置される。

【００１７】また、第一実施例では、発光素子１２のｚ
軸上の点から発された光が凹面状反射面２２で反射され
た後、放射面２４で屈折して、一点（集光点）Ｐに集光
するように、凹面状反射面２２の形状を設計している
（発光素子１２の一点から発する光が点Ｐに集光するも
のとしても、集光点は光源の大きさに対応する大きさと
なる。）。たとえば、第一実施例では、図２に示すよう
に、凹面状反射面２２の端縁の半径Ｒを２．５ｍｍ、凹
面状反射面２２の端縁と放射面２４との距離Ｔ_hを１．
０ｍｍ、凹面状反射面２２の端縁と発光素子１２の発光
面との距離Ｔ_sを０．２８ｍｍ、放射面２４と集光点Ｐ
との距離Ｌを３．０ｍｍとしており、かかる場合には、
凹面状反射面２２を、曲線ｚ＝ａ₀＋ａ₁ｘ＋ａ₂ｘ²＋ａ₃ｘ³＋ａ₄ｘ⁴＋ａ₅ｘ⁵ ＋ａ₆ｘ⁶＋ａ₇ｘ⁷＋ａ₈ｘ⁸＋ａ₉ｘ⁹＋ａ₁₀ｘ¹⁰ （０≦ｘ≦Ｒ）・・・（３）をｚ軸の回りに回転した回転面としている。ここで、ａ₀＝−１．６５７６８１３７８６４４ａ₁＝−０．０１１４２１３１９５７０ａ₂＝０．３４１１７４６５３１５１ａ₃＝−０．５３７０２８９３５５５５ａ₄＝１．２３０５３３３３２６９６ａ₅＝−１．６６１４２８３８８８１８ａ₆＝１．４０７７５２１８６９８７ａ₇＝−０．７５２６４５９９３０３１ａ₈＝０．２４６９２３４８９８３３ａ₉＝−０．０４５３６５６７９０４２ａ₁₀＝０．００３５７５２５３４９０である。

【００１８】このように構成された発光ダイオードで
は、発光素子１２にリード１４ａ，１４ｂを介して電力
が供給されると、発光素子１２は光を発する。この発光
素子１２が発した光は、図２に示すように、凹面状反射
面２２により反射された後、放射面２４でｚ軸に近づく
ように屈折して外部に放射され、集光点Ｐに効率よく集
光する。

【００１９】第一実施例の発光ダイオードでは、放射面
を平坦に形成すると共に、凹面状反射面を、（３）式に
示す曲線をｚ軸の回りに回転した回転面であって、発光
素子のｚ軸上の点から発し凹面状反射面で反射された光
が放射面で屈折した後、一点に集光するように形成した
ことにより、発光素子からその中心軸に対して大きな角
度方向に発せられた光と小さな角度方向に発せられた光
とを効率よく一点に集光させることができる。また、従
来のような放射面を曲面状とした場合に比べて、発光ダ
イオードの高さＴを小さくすることができるので、より
一層の薄型化を図ることができる。更に、放射面を平坦
に形成したことにより、放射面にキズが付きにくく、ゴ
ミも溜まりにくいという利点がある。

【００２０】次に、本発明の第二実施例について図面を
参照して説明する。図３は本発明の第二実施例である発
光ダイオードの発光素子から発された光の光路を示す図
である。尚、第二実施例の発光ダイオードにおいて、第
一実施例のものと同様の機能を有するものには同一の符
号を付すことによりその詳細な説明を省略する。

【００２１】第二実施例の発光ダイオードが第一実施例
のものと異なる点は、放射面２４上に平坦な光透過性強
化板２６を設けた点である。光透過性強化板２６として
は、ＳｉＯ₂系のガラス板（屈折率ｎ＝１．５）を用い
ている。かかる光透過性強化板２６を設けることによ
り、発光ダイオードの表面強度や耐油性等の向上を図る
ことができる。

【００２２】また、光透過性材料１８と屈折率が同じで
ある光透過性強化板２６を設けたことにより、発光素子
１２から発せられた光は放射面２４で屈折しない。この
ため、第二実施例では、発光素子１２のｚ軸上の点から
発された光が凹面状反射面２２ａで反射された後、光透
過性強化板２６の表面で屈折して、一点（集光点）Ｐに
集光するように、凹面状反射面２２ａの形状を設計する
必要がある。たとえば、凹面状反射面２２ａの半径Ｒを
２．５ｍｍ、凹面状反射面２２ａの端縁と放射面２４と
の距離Ｔ_hを１．０ｍｍ、凹面状反射面２２ａの端縁と
発光素子１２の発光面との距離Ｔ_sを０．２８ｍｍ、光
透過性強化板２６の厚さＴ_bを０．５ｍｍ、光透過性強
化板２６の表面と集光点Ｐまでの距離Ｌを３．０ｍｍと
した場合、凹面状反射面２２ａの形状を、曲線ｚ＝ａ₀＋ａ₁ｘ＋ａ₂ｘ²＋ａ₃ｘ³＋ａ₄ｘ⁴＋ａ₅ｘ⁵ ＋ａ₆ｘ⁶＋ａ₇ｘ⁷＋ａ₈ｘ⁸＋ａ₉ｘ⁹＋ａ₁₀ｘ¹⁰ （０≦ｘ≦Ｒ）・・・（４）をｚ軸の回りに回転した回転面としている。ここで、ａ₀＝−１．６３９２５１２０５３３８ａ₁＝−０．０１４９１９９２７３９９ａ₂＝０．３８３９０６２７８００６ａ₃＝−０．７４２３９６９８５２０７ａ₄＝１．７５９９４９１２７３７７ａ₅＝−２．４７５９２５０１３４９９ａ₆＝２．１９０５３１５５１５７１ａ₇＝−１．２２６６６３６２６９３０ａ₈＝０．４２２３９１３１７４１６ａ₉＝−０．０８１５６５１１７９０２ａ₁₀＝０．００６７５７５６６８０９である。

【００２３】このように構成された発光ダイオードで
は、リード１４ａ，１４ｂを介して発光素子１２に電力
を供給すると、発光素子１２は光を発する。この発光素
子１２から発された光は、図３に示すように、凹面状反
射面２２ａにより反射された後、光透過性強化板２６の
表面でｚ軸に近づくように屈折して、集光点Ｐに効率よ
く集光する。

【００２４】第二実施例の発光ダイオードでは、放射面
を平坦に形成し、屈折率が光透過性材料と同じである平
坦な光透過性強化板を放射面上に設けると共に、凹面状
反射面を、（４）式に示す曲線をｚ軸の回りに回転した
回転面であって、発光素子のｚ軸上の点から発し凹面状
反射面で反射された光が光透過性強化板の表面で屈折し
た後、一点に集光するように形成したことにより、発光
素子からその中心軸に対して大きな角度方向に発せられ
た光と小さな角度方向に発せられた光とを効率よく一点
に集光させることができる。また、従来のような放射面
を曲面状とした場合に比べて、発光ダイオードの高さＴ
を小さくすることができる。更に、光透過性強化板を設
けたことにより、表面強度や耐油性等の向上を図ること
ができる。

【００２５】尚、本発明は上記の各実施例に限定される
ものではなく、その発明の要旨の範囲内において種々の
変形が可能である。たとえば、上記の第一及び第二実施
例では、凹面状反射面として、（３）式及び（４）式で
表される曲線をｚ軸の回りに回転した回転面とした場合
について説明したが、一般には、凹面状反射面を、曲線

【数５】をｚ軸の回りに回転した回転面としてもよい。

【００２６】また、上記の第二実施例では、光透過性強
化板の材質としてＳｉＯ₂を用いた場合について説明し
たが、光透過性強化板の材質としてＡｌ₂Ｏ₃を用い
て、発光ダイオードの表面強度をさらに向上させるよう
にしてもよい。ただし、光透過性材料と光透過性強化板
との屈折率が異なる場合には、光透過性材料と光透過性
強化板との境界における光の屈折を考慮して、凹面状反
射面の形状を設計する必要がある。

【００２７】更に、上記の第二実施例では、放射面上に
光透過性強化板を設けた場合について説明したが、放射
面と光透過性強化板との間に一定の間隔を設けてもよ
い。この場合、放射面と光透過性強化板との間は光透過
性の材料を介するのが光学的には望ましいが、光透過性
の材料はなくてもよい。ただし、各領域で屈折率が異な
る場合には、それらの領域の境界における光の屈折を考
慮して、凹面状反射面の形状を設計する必要がある。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
によれば、放射面を平坦に形成すると共に、凹面状反射
面を、（１）式に示す曲線をｚ軸の回りに回転した回転
面であって、発光素子のｚ軸上の点から発し凹面状反射
面で反射された光が放射面で屈折した後、一点に集光す
るように形成したことにより、発光素子からその中心軸
に対して大きな角度方向に発せられた光と小さな角度方
向に発せられた光とを効率よく一点に集光させることが
でき、しかも、従来のような放射面を曲面状とした場合
に比べて、薄型化を図ることができる発光ダイオードを
提供することができる。

【００２９】請求項２記載の発明によれば、放射面を平
坦に形成し、放射面の前面に平坦な光透過性板を設ける
と共に、凹面状反射面を、（２）式に示す曲線をｚ軸の
回りに回転した回転面であって、発光素子のｚ軸上の点
から発し凹面状反射面で反射された光が放射面及び光透
過性板の表面で屈折した後、一点に集光するように形成
したことにより、発光素子からその中心軸に対して大き
な角度方向に発せられた光と小さな角度方向に発せられ
た光とを効率よく一点に集光させることができると共
に、従来のような放射面を曲面状とした場合に比べて、
薄型化を図ることができ、しかも、光透過性板を設けた
ことにより、表面強度や耐油性等の向上を図ることがで
きる発光ダイオードを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第一実施例である発光ダイオ
ードの概略正面図、（ｂ）はその発光ダイオードの概略
側面図、（ｃ）はその発光ダイオードのＡ−Ａ矢視方向
概略断面図である。

【図２】その発光ダイオードの発光素子から発された光
の光路を示す図である。

【図３】本発明の第二実施例である発光ダイオードの発
光素子から発された光の光路を示す図である。

【図４】従来の発光ダイオードを説明するための図であ
る。

【図５】従来の発光ダイオードを説明するための図であ
る。

【符号の説明】１２発光素子１４ａ，１４ｂリード１６ワイヤ１８光透過性材料２２，２２ａ凹面状反射面２４放射面２６光透過性強化板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子と、前記発光素子に電力を供給
するリード部と、前記発光素子が発した光を反射する凹
面状反射面と、前記発光素子が発し前記凹面状反射面で
反射された光を外部に放射する放射面と、前記凹面状反
射面と前記放射面との間に充填する光透過性材料とを有
する発光ダイオードにおいて、前記放射面を平坦に形成
すると共に、前記凹面状反射面を、曲線【数１】をｚ軸の回りに回転した回転面であって、前記発光素子
のｚ軸上の点から発し前記凹面状反射面で反射された光
が前記放射面で屈折した後、一点に集光するように形成
したことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】発光素子と、前記発光素子に電力を供給
するリード部と、前記発光素子が発した光を反射する凹
面状反射面と、前記発光素子が発し前記凹面状反射面で
反射された光を外部に放射する放射面と、前記凹面状反
射面と前記放射面との間に充填する光透過性材料とを有
する発光ダイオードにおいて、前記放射面を平坦に形成
し、前記放射面の前面に平坦な光透過性板を設けると共
に、前記凹面状反射面を、曲線【数２】をｚ軸の回りに回転した回転面であって、前記発光素子
のｚ軸上の点から発し前記凹面状反射面で反射された光
が前記放射面及び前記光透過性板の表面で屈折した後、
一点に集光するように形成したことを特徴とする発光ダ
イオード。