JP2005109289A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より高輝度の平行光を出力可能な発光装置を提供する。
【解決手段】 発光素子と、前記発光素子の第１の発光面及び第２の発光面と対向して設けられ、前記発光素子からの光を放射方向へ出射する透光性部材と、を有する発光装置であって、前記発光素子は第１の発光面及び第２の発光面における複数の発光部を有し、前記透光性部材は、前記発光素子からの直接光を出射するレンズ部と、少なくとも前記発光素子からの直接光を反射させる光反射部と、少なくとも前記光反射部によって反射させた反射光を出射する光出射部とからなり、前記レンズ部及び前記光反射部は前記発光素子の複数の発光部のうち、それぞれ異なる発光部に焦点を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光素子からの光を特定の範囲に制御して出射させることを目的とした発光装置に関する。

近年、プロジェクタや車載用照明、リーディングライトなどのスポット光を得るための照明装置の光源として、ＬＥＤを用いた発光装置が用いられてきている。このような発光装置としては、リフレクタを形成し、またその焦点を発光素子に設け、発光素子からの光をリフレクタによって反射して外部へ取り出すことで、主として平行光を得る形態のものが知られている。

特開平１−２０５４８０号公報

しかしながら、実際に用いられる発光素子は、複数の発光部を有するのに対し、リフレクタの焦点は発光素子の発光面中心に置かれているため、発光面中心から離れた発光部からの光の制御が困難となる。
そこで本願発明は、高輝度且つより制御性のよいスポット光を実現できる発光装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の発光装置は、発光素子と、発光素子の第１の発光面及び第２の発光面と対向して設けられ、発光素子からの光を放射方向へ出射する透光性部材と、を有する発光装置であって、 発光素子は第１の発光面及び第２の発光面における複数の発光部を有し、透光性部材は、発光素子からの直接光を出射するレンズ部と、少なくとも発光素子からの直接光を反射させる光反射部と、少なくとも光反射部によって反射させた反射光を出射する光出射部とからなり、レンズ部及び光反射部は発光素子の複数の発光部のうち、それぞれ異なる発光部に焦点を有することを特徴とする。

このような構成とすることによって、レンズ部及び光反射部によって異なる発光部からの光を制御することができるため、発光素子からの光の利用効率を高め、輝度の高い平行光を得ることもできる。

本発明の請求項２に記載の発光装置は、レンズは発光素子の第１の発光面の中心に第１の焦点を有し、光反射部は発光素子の第２の発光面に第２の焦点を有することを特徴とする。

発光素子の第１の発光面から離れた、第２の発光面に第２の焦点を有することで、光の集光効率を高めることも可能となり、特に比較的大きい発光素子を用いた場合において、顕著な効果を得ることができる。

本発明の請求項３に記載の発光装置は、光出射部が前記発光素子からの光のうち、光反射部によって反射された光のみを放射することを特徴とする。

このような構成とすることで、全ての発光素子からの光を、透光性部材の光反射部及びレンズ部によって制御して外部へ取り出すことができる。

本発明の請求項４に記載の発光装置は、光反射部が放物面からなることを特徴とする。

このような構成とすることで、発光素子からの光のうち、放物面によって反射される光が平行光となり、光出射部に入射角を揃えて入射させることができる。

本発明の請求項５に記載の発光装置は、光出射部が平坦な面からなることを特徴とする。

このような構成とすることで、光反射部から得られる平行光についても、それぞれの光の平行を保って外部へ取り出すことができる。

本発明の請求項６に記載の発光装置は、光反射部によって反射された発光素子からの光が、光出射部に対する入射角を０°より大きく臨界角より小さい範囲において設定されることを特徴とする。

このような構成とすることで、発光素子からの光を光出射部から有効に外部へ取り出すことができる。また、透光性部材の光反射部を発光素子の第１の発光面に対して垂直な方向へ傾斜させることで、発光装置の小径化が可能となる。

本発明の請求項７に記載の発光装置は、透光性部材が発光素子と空気層を介して隣接することを特徴とする。

このような構成とすることで、発光素子の内部に生じた発光を、効率よく透光性部材へ導くことができる。

本発明の請求項８に記載の発光装置は、光反射部は外側表面に光反射材料が形成されていることを特徴とする。

このような構成とすることで、発光素子からの光の利用効率を高めることができる。

本発明の請求項９に記載の発光装置は、発光素子はサブマウントを介して実装されることを特徴とする。

このような構成とすることで、サブマウントによって高さ調節を行い、透光性部材の光反射部によって反射できる発光素子からの出射光の範囲をより広くとることもできるため、さらに輝度の高い平行光を得ることも可能となる。

本発明の請求項１０に記載の発光装置は、発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体からなることを特徴とする。

このような構成からなることで、より良好な本発明の効果を得ることができる。

本発明による発光装置は、透光性部材のレンズ部及び光反射部が発光素子の発光部の各々に焦点を有することで、効率よく光を放射方向へ取り出すことができるため、輝度の高いスポット光や、ある特定の範囲のみを照射させる発光装置を提供することが可能となる。

以下、本願発明の実施の形態を詳述する。
図１は本発明の実施の形態に係る発光装置の構成を示す模式的断面図であり、図２は本発明の実施の形態に係る発光装置における発光素子からの光の進行方向を示す模式的断面図である。このような発光装置は、発光素子２と発光素子を載置させる配線パターンが形成された実装基板３と、発光素子を覆うように設けられた透光性部材１とを有する。透光性部材１は、第１の発光面２０１及び第２の発光面２０２を有する発光素子２と接触して或いは空気層を介して設けられ、発光素子２からの光を集光して外部へ取り出すレンズ部１０１、発光素子２からの光をそれぞれが平行な反射光とし、所望の方向に反射させる光反射部１０２、及び反射光を外部へ取り出す光出射部１０３とからなる。ここで本願発明において、発光素子の上面（発光面）を第１の発光面、発光素子の側面（側方端面）を第２の発光面とする。また、光反射部によって反射される光の方向を放射方向とする。

このような発光装置に用いられる発光素子は、点光源と見なして光学設計を行うのが一般的であるが実際は複数の発光部を有し、配光についても均等なものではない。このような理由として、発光素子の形状や発光素子に設けられる電極、或いは各半導体層の構成などによる影響で発光強度が均一でないことが挙げられる。そのため、図３に示すように、透光性部材１の光反射部１０２の焦点を発光素子の第１の発光面２０１の中心に設けた際、ｐ点における第２の発光面２０２の中心からの発光のずれ角をαとし、第２の発光面２０２の中心から出射され、ｐ点において反射されて光出射部１０３から放射される光のずれ角をβとすると、β＝ｎα（ｎは透光性部材の屈折率）となる。すなわち、発光素子の第１の発光面２０１の中心から離れた発光部からの光は、放射方向への制御が困難となり、さらに透光性部材１の有する屈折率が関係することによって、透光性部材１から外部へ取り出される際に平行光が得られにくくなる。

そのため、本願発明では、発光装置に用いられる発光素子の発光強度の分布に応じて、発光素子の第１の発光面２０１の中心部以外において、発光強度の高い部分に焦点を合わせた光反射部１０２を形成する。このような形態とすることで、構成部材を新たに加えることなく、発光素子２の配光特性に応じた光の制御が可能となり、平行光など所望の出射光を得ることができる。

従って、本願発明では、透光性部材１において、発光素子の第１の発光面２０１の中心に第１の焦点を有するレンズ部１０１と、発光素子の発光面中心以外の部分、特に第２の発光面２０２に第２の焦点を有する光反射部１０２と、発光素子２からの光のうち、光反射部１０２によって反射された反射光を出射する光出射部１０３とを有することを特徴とする。このような構成とすることで、発光素子２からの光のうち、第１の発光面２０１からの光は、レンズ部１０１によって制御し所望の方向へ平行光を出射することができる。また、第２の発光面２０２からの光を光反射部１０２によって反射させることで平行光とし、さらに光出射部１０３から所望の方向へ平行光を出射することができる。従って、それぞれ焦点の位置が異なる媒体（レンズ、反射面等）により光を収束させるため、発光素子２における発光強度の高い部分からの光を集光効率よく所望の方向へ出射させることができる。尚、本明細書中において、発光素子２から出射された光を直接光とし、直接光が光反射部１０２等によって反射されて、進行方向が転換された光についてを反射光とする。以下、本願発明における発光装置の各構成部について述べる。

（発光素子）
本発明において、用いられる発光素子は、同一面側に正負一対の電極を有し、且つ速報端面から発光の一部を発光することが可能であれば特に限定されない。発光素子の積層構造は、ＭＩＳ接合、ＰＩ接合やＰＮ接合などを有すホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルヘテロ構造のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。

窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体用基板にはサファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の材料が好適に用いられる。結晶性のよい窒化ガリウム系化合物半導体を量産性よく形成させるためには、サファイア基板を用いることが好ましい。このサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化ガリウム系化合物半導体を形成させることができる。サファイア基板上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ等のバッファ層を形成し、その上にｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体を形成させる。

窒化ガリウム系化合物半導体を使用したｐｎ接合を有する発光素子例として、バッファ層上に、ｎ型窒化ガリウムで形成した第１のコンタクト層、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第１のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第２のクラッド層、ｐ型窒化ガリウムで形成した第２のコンタクト層を順に積層させたダブルヘテロ構造が挙げられる。窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態で、ｎ型導電性を示す。発光効率を向上させる等所望のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体を形成させる場合は、ｎ型ドーパントとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体を形成させる場合は、ｐ型ドーパントであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化ガリウム系化合物半導体は、ｐ型ドーパントをドープしただけではｐ型化しにくいためｐ型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により、低抵抗化させることが好ましい。電極形成後、半導体ウエハーからチップ状にカットさせることで窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子を形成させることができる。

このようにして得られた発光素子は、可視領域において高い光強度を有する一方、活性層において発生した光が発光素子内部において伝搬を繰り返すことで、発光素子内に閉じこめられた状態となり、発光素子の発光面からは比較的光が放射され難くなり、発光素子端面からの発光強度が高くなる。活性層がインジウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子等、バンドギャップの比較的小さいインジウムを含む活性層を、例えばバンドギャップの比較的大きいアルミニウムを含むクラッド層によって挟む場合などにおいて特に顕著となる。また、発光素子上に形成された電極と素子との界面やサファイアなどの異種基板との界面においても透過することなく伝搬される光が生じ、端面からの発光がより促進される傾向にある。このような半導体材料からなる発光素子の発光強度についてのグラフを図１７に示す。図１７は、発光素子を電極形成面側を上にして載置して測定したものであり、発光強度の最も高い部分を１．０として相対強度を表している。発光素子の第１の発光面の中心軸を０°とすると、発光素子の中心から遠ざかるほど高くなっており、４５°付近と７５°付近において発光強度のピークを有し、１１０°付近においては最も高い発光強度を有する。

本発明で用いられる発光素子２は、配線パターン８が形成された実装基板３上やリードフレーム１０上に載置させることによって外部電極と導通をとることが可能となる。この場合、発光素子２を１つ用いて実装基板３等に載置してもよいし、複数個用いることもでき、使用用途に合わせて適宜決定することができる。配置方法においても限定されないが、各素子の隣りあう側面（第２の発光面）を平行となるように碁盤目状に並置させることで、発光面積や発光強度を大きくすることができる。また一方向に長くなるように配置させて長方形形状の光源とするなど、並置方法によって、所望の指向性を有する発光装置とすることもできる。このようにして得られた発光装置のうち、赤色、緑色、青色光を発する発光装置を組み合わせてそれぞれを並置させて用いることで白色光とすることも可能である。

さらに、異なる発光色を有する発光素子を交互に並べて、演色性の良好な白色光など種々の混色光を得ることも可能である。このような場合は、各発光素子の発光色を考慮し、順序や高さを調節するなどして、混色性を高めることができる。また、発光素子の各々の高さを調節する際、互いが陰になり発光が遮られることがないように、実装基板を階段状に形成して光取りだし効率を向上させることもできる。また、本発明の実施の形態において用いられる発光素子２は、発光素子の発光面２０１（第１の発光面）及び側面２０２（第２の発光面）に蛍光物質を塗布或いは半導体層に蛍光物質を混合するなどして、発光素子からの光と蛍光物質の励起光による光の組み合わせによって、種々の発光色を得ることも可能である。

また本願発明では、透光性部材１に無機物質または有機物質からなる顔料を含有させることもできる。このように透光性部材１に顔料を含有させると、特定の波長をカットすることができ、このような顔料による着色フィルタの効果により、所望の波長を有する発光のみを外部へ放射することが可能となる。さらに、発光素子２からの青色光を蛍光体材料、例えば窒化物蛍光体やＹＡＧ蛍光体等を励起するためだけに用い、青色光が外部へ出射されないように、顔料によるフィルタを用いることもできる。

（蛍光物質）
また、本願発明で用いられる発光素子は、発光素子の第１の発光面２０１および第２の発光面２０２に蛍光物質を塗布、印刷あるいは層に蛍光物質を加えるなどして、発光素子２からの光と蛍光物質の励起光による光の組み合わせによって、種々の発光色を得ることができる。このような場合、発光素子の第１の発光面２０１上に形成される蛍光体層と、発光素子の第２の発光面２０２上に形成される蛍光体層とを略同一の厚さとすることで、発光素子２の全体から均一な混色光を得ることができる。また、本願発明で用いられる蛍光物質は、予め樹脂等によって発光素子２の表面全体をコーティングしておく際に、樹脂内に混合してもよい。尚、本明細書中では、蛍光物質が含有されている部材を総して、波長変換部材ということもある。

本願発明に用いられる蛍光体は、発光素子２から放出された可視光や紫外光の一部を吸収し、その吸収した光の波長と異なる波長を有する光を発光するものである。このような蛍光体は、少なくとも発光素子の半導体発光層から発光された光によって励起され、波長変換した光を発光する蛍光体をいい、蛍光体を固着させる結着剤とともに波長変換部材中に含有される。また、本願発明において、蛍光体として紫外光により励起されて所定の色の光を発生する蛍光体も用いることができ、具体例として、例えば、
（１）Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６ＦＣｌ：Ｓｂ，Ｍｎ
（２）Ｍ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ（但し、ＭはＳｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇから選択される少なくとも一種）
（３）ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ
（４）ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ、Ｍｎ
（５）３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ_２・ＧｅＯ_２：Ｍｎ
（６）Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ
（７）Ｍｇ_６Ａｓ_２Ｏ_１１：Ｍｎ
（８）Ｓｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｅｕ
（９）（Ｚｎ、Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ
（１０）ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ
（１１）Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６ＣｌＢｒ：Ｍｎ、Ｅｕ
（１２）Ｚｎ_２ＧｅＯ_４：Ｍｎ
（１３）Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、及び
（１４）Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ等が挙げられる。

また、これらの蛍光体は、一層からなる波長変換部材中に単独で用いても良いし、混合して用いてもよい。さらに、二層以上が積層されてなる波長変換部材中にそれぞれ単独で用いても良いし、混合して用いてもよい。

発光素子からの光と、蛍光体が発光した光が補色関係などにある場合、それぞれの光を混色させることで白色系の混色光を発光することができる。具体的には、発光素子からの光と、それによって励起され発光する蛍光体の光がそれぞれ光の３原色（赤色系、緑色系、青色系）に相当する場合や発光素子が発光した青色系の光と、それによって励起され発光する蛍光体の黄色系の光が挙げられる。

発光装置の発光色は、蛍光体と蛍光体の結着剤として働く各種樹脂やガラスなどの無機部材などとの比率、蛍光体の沈降時間、蛍光体の形状などを種々調整すること及び発光素子の発光波長を選択することにより電球色など任意の白色系の色調を提供させることができる。

具体的な蛍光体としては、銅で付活された硫化カドミ亜鉛やセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（以下、「ＹＡＧ系蛍光体」と呼ぶ。）が挙げられる。特に、高輝度且つ長時間の使用時においては（Ｒｅ_1-xＳｍ_x）₃（Ａｌ_1-yＧａ_y）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、但し、Ｒｅは、Ｙ，Ｇｄ,Ｌａからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。）などが好ましい。（Ｒｅ_1-xＳｍ_x）₃（Ａｌ_1-yＧａ_y）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ蛍光体は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークが４７０ｎｍ付近などにさせることができる。また、発光ピークも５３０ｎｍ付近にあり７２０ｎｍまで裾を引くブロードな発光スペクトルを持たせることができる。

本発明の発光装置において、蛍光体は、２種類以上の蛍光体を混合させてもよい。即ち、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｌａ及びＧｄやＳｍの含有量が異なる２種類以上の（Ｒｅ_1-xＳｍ_x）₃（Ａｌ_1-yＧａ_y）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ蛍光体を混合させてＲＧＢの波長成分を増やすことができる。また、現在のところ半導体発光素子の発光波長には、バラツキが生ずるものがあるため２種類以上の蛍光体を混合調整させて所望の白色系の混色光などを得ることができる。具体的には、発光素子の発光波長に合わせて色度点の異なる蛍光体の量を調整し含有させることでその蛍光体間と発光素子で結ばれる色度図上の任意の点を発光させることができる。このような蛍光体は、気相や液相中に分散させ均一に放出させることができる。気相や液相中での蛍光体は、自重によって沈降する。特に液相中においては懸濁液を静置させることで、より均一性の高い蛍光体を持つ層を形成させることができる。所望に応じて複数回繰り返すことにより所望の蛍光体量を形成することができる。

以上のようにして形成される蛍光体は、発光装置の表面上において一層からなる波長変換部材中に二種類以上存在してもよいし、二層からなる波長変換部材中にそれぞれ一種類あるいは二種類以上存在してもよい。このようにすると、異なる種類の蛍光体からの光の混色による白色光が得られる。この場合、各蛍光物質から発光される光をより良く混色しかつ色ムラを減少させるために、各蛍光体の平均粒径及び形状は類似していることが好ましい。ここで本発明において、蛍光体の粒径とは、体積基準粒度分布曲線により得られる値であり、前記体積基準粒度分布曲線は、レーザ回折・散乱法により蛍光体の粒度分布を測定し得られるものである。具体的には、気温２５℃、湿度７０％の環境下において、濃度が０．０５％であるヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に蛍光体を分散させ、レーザ回折式粒度分布測定装置（ＳＡＬＤ−２０００Ａ）により、粒径範囲０．０３μｍ〜７００μｍにて測定し得られたものである。

本実施の形態において使用される蛍光体は、ＹＡＧ系蛍光体に代表されるアルミニウム・ガーネット系蛍光体と、赤色系の光を発光可能な蛍光体、特に窒化物系蛍光体とを組み合わせたものを使用することもできる。これらのＹＡＧ系蛍光体および窒化物系蛍光体は、混合して波長変換部材中に含有させてもよいし、複数の層から構成される波長変換部材中に別々に含有させてもよい。

本発明に利用可能な蛍光物質は、発光素子から発せられる発光波長によって励起され発光するフォトルミネッセンス蛍光体がある。具体的な例としては、窒化ガリウム系化合物半導体からの青色系発光により黄色系が発光可能な蛍光体であるＹＡＧ：ＣｅなどのＹＡＧ（Ｙ２Ｏ３・５／３Ａｌ２Ｏ３）系蛍光体が挙げられる。ＹＡＧ系蛍光体は、本発明においては、特に広義に解釈するものとし、Ｙ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、ＧｄおよびＳｍから選ばれた少なくとも１つの元素に置換し、あるいはアルミニウムの一部または全体を、ＧａとＩｎのいずれかまたは両方で置換する蛍光作用を発する蛍光体を含む意味に使用する。

同様に、青色系発光により赤色系が発光可能な蛍光体としては、Ｅｕ及び／またはＣｒで付活された窒素含有Ｃａ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｎ系オキシナイトライド蛍光ガラスが挙げられる。なお、Ｅｕ及び／またはＣｒで付活されたＣａ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｎ系オキシナイトライド蛍光ガラスの窒素含有量を増減させることによって発光スペクトルのピークを５７５ｎｍから６９０ｎｍに連続的にシフトすることができる。そのため、Ｍｇ、Ｚｎなどの不純物がドープされたＧａＮやＩｎＧａＮを発光層に含む窒化ガリウム系化合物半導体からの光と約５８０ｎｍの蛍光体の光の合成により、ＹＡＧ系蛍光物質と同様の白色光を得ることができる。

（透光性部材）
本願発明において用いられる透光性部材１は、発光素子２の発光面２０１の中心に焦点を有するレンズ部１０１と、発光素子の発光強度の高い部分に焦点を有する光反射部１０２と、光反射部１０２によって反射され、各々が平行となった光を外部へ出射する光出射部１０３とからなる。
本願発明の透光性部材１に用いられる材料は、エポキシ樹脂、硬質シリコーン、アクリル、ポリカーボネート等、発光素子２からの光を外部へ放射可能な材料であれば、特に限定されない。このような材料の中でも屈折率が比較的高い透光性材料を用いると、効率よく光を透光性部材１の外部へ取り出すことが可能となる。

本願発明において用いられる光反射部１０２は、発光素子の第２の発光面２０２に焦点を有する放物面からなると好ましい。このように、比較的発光強度の高い部分に、それぞれ異なる焦点を有するように、レンズ部１０１と光反射部１０２とを配することで、発光素子２からの光の集光効率を高め、より効率よく光を所望の放射方向へ制御することができる。すなわち、このような構成とすることで、発光素子２からの光の集光効率を高めることができるため、より効率よく輝度の高い平行光を得ることが可能となる。

本願発明に係るレンズ部１０１及び光反射部１０２は、発光素子２の配光特性に応じて適宜設定される。例えば、図１７のグラフに示す配光特性を示す素子を用いる場合、発光素子の第１の発光面２０１の中心軸（０°とする）から離れるほど、具体的には４５°付近及び７５°付近、さらに１１０°付近などにおいて発光強度の高いピークを有している。そのため、これらの光の多くが出射される発光素子の第２の発光面２０２からの発光強度の高い部分からの光を反射させるために光反射部１０２を設定する必要がある。

従って、本発明において透光性部材のレンズ部１０１が有する焦点は、発光素子の第１の発光面２０１に設けられ、透光性部材の光反射部１０２が有する焦点は、発光素子の側面である、第２の発光面２０２に設けられていると、発光素子の第１の発光面２０１からの光は、レンズ部１０１によって制御され、発光素子の第２の発光面２０２からの光は、光反射部１０２によって制御されるため、効率よく所望の放射方向に光を取り出すことができる。

具体的には、図４に示すように、発光素子２の中心軸を０°とする場合、光反射部１０２が４０°から９０°付近まで（発光面と水平な軸を０°とする場合は０°から５０°付近まで）設けられていると、発光素子の第２の発光面２０２からの光を十分に受ける（反射する）ことができるため好ましい。さらに光反射部１０２は、４０°から１００°付近にまで設けられていると、より好ましい。発光素子の第２の発光面２０２からの出射光は、９０°よりもさらに下方向の１１０°付近において、特に高い発光強度を有している。そのため、このようにすると、より多くの光を利用することができる。また、透光性部材のレンズ部１０１を０°から４０°付近まで設けることで、発光素子の第１の発光面２０１から出射される光を集光して外部へ取り出すことができる。

また、本願発明の発光装置は、光出射部の法線方向を０°とすると、発光素子からの光の光出射部に対する入射角を、０°より大きく臨界角より小さい範囲において設定するため、発光素子からの出射光が光出射部によって反射されることがない。発光素子からの出射光が透光性部材の光出射部１０３において反射されてしまうと、光が入射する角度によっては、発光素子からの光が透光性部材内において反射を繰り返し、伝搬する場合がある。このように光が反射を繰り返すことで、光は徐々に減衰するため、発光を有効に利用することが困難になる。さらに、光反射部１０２からの反射光のみが光出射部１０３から取り出され、発光素子の第２の発光面２０２からの直接光が、光出射部１０３から直接外部へ取り出されることがない。そのため、発光素子の第２の発光面２０２からの光が、光反射部１０２によって放射方向に制御されずに、光出射部１０３から直接外部へ取り出されるのを防ぐことができる。

本願発明の実施の形態に係る発光装置の形成方法として、以下に例を示す。
まず、発光素子２が配線パターン８が形成された実装基板３上に載置される。実装基板３は、金属材料やＡｌＮ、ＣｕＷなどの熱伝導率の良好な絶縁体を用いることができる。発光素子２は、直接実装基板３上に載置されてもよいし、ＡｌＮ、ＣｕＷなどからなるサブマウント４を介して、実装基板３上に載置されてもよい。

次に、所望の形状を有する金型を用いて、エポキシ樹脂、シリコーン、アクリル等を材料とし、金型内部に注入し、硬化させることで、所望の形状を有する透光性部材１を得ることができる。このような透光性部材１は、予め作成しておき、後に実装基板３上に載置された発光素子２に覆い被せるように設置することもできるし、図７のように、発光素子２が載置されたリードフレーム１０と透光性部材１の一体成形を行うこともできる。次に、透光性部材の形状の決定方法として以下に例を示す。

まず発光素子の第１の発光面２０１の中心軸を０°とした時、発光素子の第２の発光面２０２の中心を基準点として、４０°付近に光出射部１０３が配するように設定する。さらに発光素子の第２の発光面２０２の中心を基準点として、１００°方向に光反射部１０２の一方の端部ａが配するように設定する。この際、図４のように予め決定されている発光装置の大きさに合わせて、光反射部１０２の一方の端部ａが決められる。このような光反射部１０２の一方の端部ａは、実装基板３と接続され、サブマウント４の高さ調節によって設定することができる。この光反射部１０２の一方の端部ａから、光反射部１０２の他方の端部ｂと光出射部１０３とが接する部分まで、発光素子の第２の発光面２０２の中心に焦点を有する曲率からなる放物面が形成される。この際、透光性部材１の屈折率や、光出射部１０３の傾斜角を考慮して、放物面の傾きが設定される。

光出射部１０３は、少なくとも光反射部１０２の一方の端部ａによって反射される発光素子からの光が光出射部１０３から外部に取り出されるように設定される。従って、光反射部１０２の一方の端部ａからの光が光出射部１０３に入射するｃの部分まで光出射部が１０３設けられる。また、レンズ部１０１はｃの部分から発光素子の第１の発光面２０１の中心を焦点とするように設定される。

透光性部材の光出射部１０３は、透光性部材の光反射部１０２によって反射された光を外部へ出射するために設けられている。また、光出射部１０３は、平坦な面からなり、発光素子の第２の発光面２０２からの光の出射方向と平行となるように配置されることによって、発光素子の第１の発光面２０１及び発光素子の第２の発光面２０２からの直接光が入射されることはない。そのため、レンズ部１０１や光反射面１０２で制御されることなく外部へ取り出される光、すなわち漏れ光をなくすことができる。また、このような面からなる光出射部１０３とすることで、光反射部１０２が設けられる角度をより垂直方向に傾けることができるため、透光性部材の光反射部１０２の広がりを抑えて小径化することも可能となる。

透光性部材の光反射部１０２は、放物面からなると、発光素子の第２の発光面２０２等に良好に焦点を設けることができるため好ましい。このような光反射部１０２は、透光性部材として用いられる透光性樹脂などの屈折率及び光出射部１０３が設けられている角度を考慮する必要がある。すなわち、発光素子からの光が、透光性部材の光出射部１０３から空気層へ入射する際の屈折する割合から光反射部１０２の角度を設定する。このようにすることで、光出射部１０３からの光を透光性部材のレンズ部１０１からの光と平行に出射させることができるため、輝度の高い平行光を得ることも可能となる。

また、透光性部材の光反射部１０２にＡｇ、Ａｌ等光の反射効率の良好な材料を蒸着させたり、スパッタリングによって形成すると、発光素子からの光を有効に利用することができ好ましい。しかしながら、このような光反射材料を、光反射部全面に形成する必要はなく、光反射部のうち発光素子からの光が反射されない部分に施しておくことで、効果を得ることができる。図４に示す形態の場合、発光素子からの光が反射されない部分は、発光素子からの光の入射角が臨界角よりも小さい部分、すなわち発光素子からの光が光反射部１０２の略法線方向から入射される実装基板側の部分５である。透光性部材１の表面において、少なくともこれらの部分に、光反射材料を形成することで、発光素子からの光の反射効率を高め、良好に光を所望の放射方向へ制御することもできる。

さらに、透光性部材の光反射部１０２の表面をアクリルやポリカーボネートなどの材料によってコーティングしておくことで、取り扱いが容易となり、また表面に設けられた光反射材料の剥離などを抑制することもできる。

またさらに、発光素子２からの出射光の利用効率を高めるため、サブマウント４を介して実装基板３へ載置させることもできる。サブマウント４の高さは、発光装置の大きさや、発光素子２から実装基板側の下方向へ向かう光の出射角によって適宜決定される。図１７のような配光特性を有する発光素子を用いる場合、発光素子の第１の発光面２０１における中心軸を０°とすると、１００°付近にまで多くの光が出射されている。そのため、発光素子の第２の発光面２０２の略中心部から発せられる光のうち、１００°付近の方向へ向かう光が実装基板３によって反射されないようにサブマウント４の高さを設定すると好ましい。また、サブマウント４の高さによって光反射部の一方の端部ａを決定することができるため、発光装置の小径化も可能である。

透光性部材のレンズ部１０１は、発光素子の第１の発光面２０１の中心部に焦点を有するように配置させることで、発光素子の第１の発光面２０１からの光を効率よく制御することことができる。このようなレンズ部１０１は、少なくとも光反射部１０２によって反射される発光素子の第２の発光面２０２からの光が、光出射部１０３から透光性部材の外部へ取り出されるように設ける。すなわち、発光素子から下方向（実装基板側）へ出射される光が光反射部１０２で反射された後、その光がレンズ部１０１内に入り込むことなく、光出射部１０３から所望の放射方向へ取り出される範囲に光出射部１０３を設け、光出射部１０３以外においてレンズ部１０１を設ける。

また、透光性部材のレンズ部１０１と発光素子２との間に凹部６を設けることで空気層を形成することができる。透光性部材がアクリルのような硬化後において比較的硬い材料からなる場合、発光素子からの熱によって膨張が起こるため、発光素子の剥離やワイヤ２０４の断線を引き起こす恐れがある。しかしながら、透光性部材に凹部６をもうけて発光素子２の周りに空気層を設けることで、発光素子の剥離やワイヤ２０４の断線を防ぐことができる。

図５（ａ）及び（ｂ）は、発光素子の第２の発光面２０２からの光が透光性部材のレンズ部１０１のｐ点に入射した際、発光素子の中心軸方向からのずれ角をα及びβで表している。（ｂ）では発光素子２と透光性部材１との間に空気層が設けられており、樹脂からなる透光性部材１と空気層との屈折率差によって、発光素子２の大きさを実際のものより小さく見ることができる。従って、発光素子２と透光性部材１との間に空気層を介することで、発光素子の第２の発光面２０２からｐ点に入射されるはずの光をｐ’点に入射されると見なすことができるため、βのずれ角はαよりも小さくなり（α＞β）、集光効率を高めて、高輝度の平行光を得ることが可能となる。

また、発光素子２と透光性部材１との間に空気層を設ける場合は、空気と比較すると発光素子の屈折率が高いため、発光素子２からの光が取り出しにくい場合がある。このような場合は、発光素子２の表面に樹脂層を形成しておくことで、前述の問題が解消される。また、発光素子２の表面に蛍光物質を塗布する場合などは、蛍光物質を含有した波長変換部材による層が、前述の樹脂層と同等の役割を果たし、発光素子２からの光の取りだし効率を良好なものとすることができる。

上記した発光装置を用いて照明装置に応用することができる。図１２に、赤色、緑色、青色の異なる発光色を有する発光素子２が載置された発光装置１５をケース２０内に並置させた照明装置の模式的断面図を示す。この図のように発光装置をヒートシンクと接触させることで発光時に生じる熱を効率よく外部へ導くことができるため、放熱性のよい照明装置とすることができる。また、透光性のカバーレンズがケースに固定されていることで、任意の配光を形成することも可能であるし、ケース内部へのごみや埃の侵入を防ぎ、照明装置の信頼性を維持することもできる。発光装置の並置方法としては、図１３のように円形配置とすることもできるし、図１４のように矩形配置とすることもできる。さらに図１５のように環状に配置させたり、図１６のように線状に配置させることもできる。しかしながら、このような例に限定されず、用いられるケースの形状や発光装置の色、或いは特性等に応じて適宜決定することが可能である。また、これらの図に示すような照明装置とする際、少なくとも一組の赤色、緑色、青色の発光色を有する発光装置を用いることで、フルカラーの発光色を再現でき、さらにこれら発光装置からの光による混色光によって、白色光等の発光色を得ることができる。照明装置に用いられる発光装置の個数としては、異なる発光色を有する発光装置をそれぞれ同数個用いてもよいが、輝度の低い発光色を有する発光装置をその他のものよりも多く用いることも可能である。このような形態とすることで、良好に混色することができ、均一なスポット光の出力が可能な発光装置を得ることができる。
次に、本発明の実施例に係る発光装置について説明する。しかしながら、本発明は以下に限定されない。

図６、図１０に本実施例１に係る発光装置の模式的断面図、及び模式的斜視図を示す。このような発光装置は、まずＣｕからなる金属基板３の表面に絶縁膜７を介して、予め配線パターン８が形成された実装基板３上に、Ａｇペーストを用いて発光素子２を載置し接続する。発光素子２は、サファイア基板上にバッファ層を介して形成された、活性層がＩｎＧａＮからなる窒化物半導体であり、サファイア基板上に形成された半導体上に一対の電極（図示せず）が形成されている。このような発光素子上に形成された電極と配線パターン８とをワイヤ２０４でボンディングすることによって導通可能とする。次いで、発光装置の透光性部材１が有する、予め設定された形状に対応するキャスティングケースの凹部にエポキシ樹脂を注入し、硬化させる。このようにして得られた透光性部材１を、実装基板３上の発光素子２と光軸を一致させて位置決めを行い、実装基板３上にねじ止め９によって固定した。さらに、発光素子の第１の発光面の中心軸を０°とした時、発光装置の透光性部材１表面の８０〜１００°までを被覆するように、スパッタリングによってＡｌ材料を形成した。

このようにして得られた発光装置は、制御性よく平行光を得ることができた。また、透光性部材には凹部６が設けられ、発光素子２と透光性部材１とが空気層を介することで、発光素子２を実際よりも小さく設定でき、光の放射方向からのずれ角を小さくして透光性部材１から外部へ出力することができるため、集光効率のよい発光装置とすることができた。

図７、図１１に本実施例２に係る発光装置の模式的断面図と模式的斜視図を示す。このような発光装置は、まず鉄入り銅の金属板を打ち抜き加工によって一組のリードフレームが、互いに平行にタイバー部で連結した状態のリードフレーム１０を形成する。リードフレームの一方は、発光素子が配置されるようにカップが形成されたマウントリードとして機能し、他方は、発光素子の電極（図示せず）のうち一方の電極と、ワイヤ２０４によって電気的に接続させるインナーリードとして機能する。次に、一方のリードフレームであるマウントリードの先端部に、実施例１において用いたものと同様の窒化物半導体からなる発光素子２を載置し接着材で固定する。さらに、発光素子２の各電極と各リードフレーム１０とをワイヤ２０４でボンディングし電気的に接続させる。次いで、発光装置の透光性部材１が有する、予め設定された形状に対応するキャスティングケースの凹部にエポキシ樹脂を注入し、硬化させた。さらに、タイバー部の所定箇所を切断し、キャスティングケースから分離して、図７に示す透光性部材１の形状を有する発光装置を形成した。さらに、発光素子の第１の発光面の中心軸を０°とした時、このような発光装置の透光性部材表面１の８０〜１００°付近を被覆するように、スパッタリングによってＡｌ材料を形成した。

このような発光装置であっても、実施例１と同様に輝度の高い平行光を得ることができた。

（比較例１）
図８に本願発明の比較例に係る発光装置を示す。
実施例１と同様の工程によって、図８に示す透光性部材１の形状を有する発光装置を作成した。このような比較例１に係る発光装置は、発光素子２から出射された直接光が反射部によって反射された後、その反射光が光出射部に垂直に入射されるように設定されている。また、実施例１と同等の光量を反射部によって反射させるため、発光装置における透光性部材１の出射方向の高さが、実施例１と比較するとより高いものとなっている。そのため、発光素子２からの光が透光性部材１を透過する距離が実施例１よりも長くなることで、光が減衰されて透光性部材１の外部へ取り出される光量が少なくなる。さらに、図９のように光を制御できない領域が生じ、効率よく照射方向へ制御することが困難となる。従って、比較例１に係る発光装置は、実施例１と比較すると輝度の高いスポット光を得ることができないばかりか、透光性部材１に使用される樹脂の量が多くなることで、取り扱いにくい発光装置となる。

本発明は、集光率の高いスポット光源として、投光器、プロジェクタ用光源、ヘッドアップディスプレイ用光源、車両用照明などに用いることが可能である。

本発明の一実施形態に係る発光装置の模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光装置の模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光装置の模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光装置の模式的断面図である。 （ａ）本発明の一実施形態に係る発光装置の模式的断面図である。 （ｂ）本発明の一実施形態に係る発光装置の模式的断面図である。 本発明の実施例に係る発光装置の模式的断面図である。 本発明の実施例に係る発光装置の模式的断面図である。 本発明の比較例に係る発光装置の模式的断面図である。 本発明の比較例に係る発光装置の模式的断面図である。 本発明の実施例に係る発光装置の模式的斜視図である。 本発明の実施例に係る発光装置の模式的斜視図である。 本発明の一実施形態に係る照明装置の模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る照明装置の模式的平面図である。 本発明の一実施形態に係る照明装置の模式的平面図である。 本発明の一実施形態に係る照明装置の模式的平面図である。 本発明の一実施形態に係る照明装置の模式的平面図である。 本発明の実施例において用いられる発光素子（ダイス）の配光特性を示すグラフである。

符号の説明

１・・透光性部材
１０１・・レンズ部
１０２・・光反射部
１０３・・光出射部
２・・発光素子
２０１・・第１の発光面
２０２・・第２の発光面
２０４・・ワイヤ
３・・実装基板
４・・サブマウント
５・・光反射材料を設ける部分
６・・透光性部材の凹部
７・・絶縁膜
８・・配線パターン
９・・ねじ止め
１０・・リードフレーム
１５・・発光装置
２０・・ケース
２１・・カバー
２２・・ヒートシンク

Claims (10)

1. 発光素子と、前記発光素子の第１の発光面及び第２の発光面と対向して設けられ、前記発光素子からの光を放射方向へ出射する透光性部材と、を有する発光装置であって、
   前記発光素子は第１の発光面及び第２の発光面における複数の発光部を有し、前記透光性部材は、前記発光素子からの直接光を出射するレンズ部と、少なくとも前記発光素子からの直接光を反射させる光反射部と、少なくとも前記光反射部によって反射させた反射光を出射する光出射部とからなり、前記レンズ部及び前記光反射部は前記発光素子の複数の発光部のうち、それぞれ異なる発光部に焦点を有することを特徴とする発光装置。
2. 前記レンズは前記発光素子の第１の発光面の中心に第１の焦点を有し、前記光反射部は前記発光素子の第２の発光面に第２の焦点を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記光出射部は前記発光素子からの光のうち、光反射部によって反射された光のみを放射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置。
4. 前記光反射部は放物面からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の発光装置。
5. 前記光出射部は平坦な面からなることを特徴とする請求項１乃至４に記載の発光装置。
6. 前記光反射部によって反射された前記発光素子からの光が、前記光出射部に対する入射角を０°より大きく臨界角より小さい範囲において設定されることを特徴とする請求項１乃至５に記載の発光装置。
7. 前記透光性部材は前記発光素子と空気層を介して隣接することを特徴とする請求項１乃至６に記載の発光装置。
8. 前記光反射部は外側表面に光反射材料が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７に記載の発光装置。
9. 前記発光素子はサブマウントを介して実装されることを特徴とする請求項１乃至８に記載の発光装置。
10. 前記発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体からなることを特徴とする請求項１乃至９に記載の発光装置。
    

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