JP2004087630A - 発光ダイオードおよびｌｅｄライト - Google Patents
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Abstract
【課題】制御されて外部放射される光の放射効率を向上させることができる発光ダイオードを提供する。
【解決手段】リードフレーム５ａ，５ｂに実装された発光素子６を透光性材料である透明エポキシ樹脂８で封止し、この透明エポキシ樹脂８に、発光素子６の発光面と対向する位置に配置され、発光素子６から発光された光を側面放射面１０へ反射する反射面９ｂを形成したＬＥＤ２にあって、反射面９ｂを、発光素子６に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有し、側面放射面１０を、反射面９ｂで反射された光と、発光素子６から発光された光とがθｃ以内で入射される形状を成すように形成した。
【選択図】 図１
【解決手段】リードフレーム５ａ，５ｂに実装された発光素子６を透光性材料である透明エポキシ樹脂８で封止し、この透明エポキシ樹脂８に、発光素子６の発光面と対向する位置に配置され、発光素子６から発光された光を側面放射面１０へ反射する反射面９ｂを形成したＬＥＤ２にあって、反射面９ｂを、発光素子６に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有し、側面放射面１０を、反射面９ｂで反射された光と、発光素子６から発光された光とがθｃ以内で入射される形状を成すように形成した。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のテールライトやブレーキライト、または工事用の警報ランプや標識など広範囲の分野における照明装置並びに表示装置として適用される発光ダイオードおよびＬＥＤライトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発光ダイオード（ＬＥＤともいう）として、例えば、図２１（ａ）、（ｂ）に示すものがある。このＬＥＤ２００は、リードフレーム２０５ａ，２０５ｂと、リードフレーム２０５ａ上に搭載された発光素子（ＬＥＤチップ）２０６と、発光素子２０６を封止するエポキシ樹脂２０８より構成されている。
【０００３】
発光素子２０６は、第１の電極（例えば、ｎ電極）がリードフレーム２０５ａに接続され、第２の電極（例えば、ｐ電極）がボンディングワイヤ２０７によってリードフレーム２０５ｂに接続されている。
【０００４】
発光素子２０６は、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点に位置し、発光素子２０６の中心軸はＺ軸と一致し、また、第２の電極が位置する光出射面は、Ｘ軸及びＹ軸によって形成されるＸ−Ｙ面に平行である。エポキシ樹脂２０８は、Ｚ軸と４５°を成す逆円錐状の窪みによって形成された反射面２１０と、全体を円筒形にする光出射用の側面２０９を有する。
【０００５】
以上の構成において、発光素子２０６から出射された光は反射面２１０によって反射され、Ｘ−Ｙ面に平行な光ａとして側面２０９により出射される。Ｘ−Ｙ面に平行な光ａは、略平行な光を含めて反射角が制御された制御光であり、例えば、これを一次光（設計通りの光）とし、この一次光を図示せぬ外部反射面によってＺ軸と略平行になるように反射する二次光を形成し、この二次光を、例えば、テールライトの表示光として利用することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＬＥＤ２００においては、光制御されて一次光として側面方向へ光放射できるものではなかった。即ち、反射面２１０が発光素子２０６の光出射面から離れて位置し、Ｚ軸から離れるに従い一次関数的にＺ軸方向高さが増す。このため、発光素子２０６に対して反射面２１０を大きな立体角とすることができない。例えば、ＬＥＤ２００の外径が５ｍｍ、発光素子２０６が標準的な配光ものであり、その発光素子２０６上面から１．５ｍｍ上に逆円錐形状の光反射面２１０が形成されているとすると、Ｚ軸から約３５°の範囲（立体角：約１．１ｓｔｒａｄ）の光、即ち全光量の２０〜３０％の光が反射面２１０へ至るに留まり、残りの光は発光素子２０６から直接側面２０９へ至って放射される。
【０００７】
そして、反射面２１０で反射される光の一部は、ａで示すように側面方向へ反射し、側面２０９から側面方向へ外部放射されるが、ｂ，ｃのように側面２０９で大きく屈折し、側面方向ではない方向へ外部放射される光や、更にはｄのように側面２０９で界面反射し、側面２０９から外部放射されず迷光となる光が多い。また、発光素子２０６から出射された光のうち、反射面２１０へ至らない光は、直接側面２０９へ至る。そして、ｅのように一部は側面２０９から側面方向へ外部放射されるが、ｇのように側面２０９で大きく屈折し、側面方向ではない方向へ外部放射される光や、更にはｈやｉのように側面２０９で界面反射し、側面２０９から外部放射されず、迷光となる光が多い。従って、従来のＬＥＤ２００は、光の側面方向への放射効率が低いという問題を有する。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、制御されて外部放射される光の放射効率を向上させることができる発光ダイオードおよびＬＥＤライトを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の発光ダイオードは、電源供給手段に実装された発光素子を透光性材料の封止部材で封止し、前記発光素子の発光面に対し放射光を受けて反射する反射面と、前記反射面からの反射光と前記発光素子からの直接光を放射する側面放射面とを前記封止部材に形成して構成された発光ダイオードにおいて、前記反射面は、前記発光素子に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有し、前記側面放射面は、前記反射面で反射された反射光の入射角及び前記発光素子から放射された直接光の入射角が前記θｃより小なる角度を有して形成され、前記発光素子から発光された光を入射して外部へ放射することを特徴としている。このように反射面が、２π｛１−ｃｏｓθｃ｝以上の立体角を有する場合、発光素子が発する光の半分以上の光を側面方向へ放射する制御を行うことができる。また、側面放射面へ入射する反射光や直接光の角度がθｃより小さい角度を有する場合、入射光が側面放射面で反射せずに外部放射するため迷光が生じず、高効率の側面放射を行うことができる。
【００１０】
また、前記反射面は、前記発光素子の中心軸（Ｚ軸）に対し直交するＸ軸でなす平面においてＺ＝ｆ（Ｘ）の一部の線分を前記発光素子の中心軸回りに回転させた形状であり、前記Ｚ＝ｆ（Ｘ）は｛ｄ２ｆ（Ｘ）／ｄＸ２｝＜０であることを特徴としている。このようにＺ＝ｆ（Ｘ）が｛ｄ２ｆ（Ｘ）／ｄＸ２｝＜０である場合は、反射面が同一径の場合に、発光素子に対して大きな立体角としても側面放射面への入射角を小さなものとすることができる。
【００１１】
また、前記反射面は、前記発光素子又は、その周囲を焦点とする楕円、放物線、双曲線の何れか１つの一部を、前記発光素子の中心軸回りに回転させた形状を成すことを特徴としている。これは、｛ｄ２ｆ（Ｘ）／ｄＸ２｝＜０で示される曲線のうち、実際に使用されうる一般的な形状を意味する。
【００１２】
また、前記反射面は、前記発光素子の直上に光取出面を有することを特徴としている。このように光取出面を有する場合、反射面中央部から光取り出しができる。反射面を発光素子に近接形成でき、反射面が同一径の場合、発光素子に対し大きな立体角が得られる。
【００１３】
また、前記反射面は、径が１０ｍｍ以下であることを特徴としている。この場合、小型化によりモールド形成性が向上する。Ｚ軸方向から観察する際に非発光となる反射面の面積を小さくすることができる。
【００１４】
また、前記側面放射面は、前記発光素子側に傾斜する勾配を有することを特徴としている。
【００１５】
また、前記側面放射面は、前記発光素子を中心とする球面の一部を成すことを特徴としている。
【００１６】
また、前記リードフレームは、熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・ｋ以上の導電性材料で形成され、前記封止手段の下面から引き出されていることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明のＬＥＤライトは、電源供給手段に実装された発光素子を透光性材料の封止部材で封止し、前記発光素子の発光面に対し放射光を受けて反射する反射面と、前記反射面からの反射光と前記発光素子からの直接光を放射する側面放射面とを前記封止部材に形成して構成され、前記反射面が、前記発光素子に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有し、前記側面放射面が、前記反射面で反射された反射光の入射角及び前記発光素子から放射された直接光の入射角が前記θｃより小なる角度を有して形成され、前記発光素子から発光された光を入射して外部へ放射する発光ダイオードと、前記発光ダイオードから放射される光を反射する反射鏡とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ（発光ダイオード）の構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【００２０】
図１に示すように、第１の実施の形態のＬＥＤ２は、透明エポキシ樹脂８によって、光源である発光素子６を封止するとともに光学面が形成された一体構造となっているが、以降説明のため、発光素子６の中心軸をＺ軸とし、このＺ軸上の発光素子６の上面位置を原点とし、原点でＺ軸にそれぞれ直交するＸ軸とＹ軸を設けた座標系としてある。但し、Ｚ軸は中心軸Ｚとも称す。
【００２１】
即ち、ＬＥＤ２は、Ｘ−Ｙ平面上に絶縁のための間隙を介して配置した一対の銅合金によるリードフレーム５ａ，５ｂのうち、一方のリードフレーム５ａの上記原点位置に発光素子６を銀ペーストを介して実装し、発光素子６の上面の電極とリードフレーム５ｂの先端部とを、金のワイヤ７でボンディングし、さらに、各リードフレーム５ａ，５ｂの一部分、発光素子６、ワイヤ７を、透明エポキシ樹脂８（屈折率１．５５）によって封止すると共に光学面をモールド形成したものである。
【００２２】
このＬＥＤ２の主な特徴は、透明エポキシ樹脂８の形状にある。即ち、透明エポキシ樹脂８は、その上面の中心部分（発光素子６の直上部分）が平坦面９ａとなっており、この平坦面９ａに続いて反射面９ｂが形成され、これによって反射鏡９が構成されている。
【００２３】
反射面９ｂは、原点を焦点としＸ軸を対称軸とする放物線の一部を、中心軸Ｚの周りに回転させた円状の反射形状を成している。なお、平坦面９ａは、発光素子６で発光された光をＺ軸方向へ放射する光学面であり、凹面又は凸面であってもよい。用途に応じては、平坦面９ａが形成されていない構成とすることも可能である。
【００２４】
また、反射面９ｂは、発光素子６に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有する。或いは、発光素子６の焦点と反射面９ｂのエッジ位置とを結ぶ斜めの直線Ｌ１と、Ｚ軸との角度θ１が、（９０°−θｃ）以上となっている。
【００２５】
反射面９ｂの直径Ｗは、φ１０ｍｍ以下が好ましい。この理由は、透明エポキシ樹脂８のサイズが大きいと光学的には有利な設計が可能となるが、この場合、樹脂硬化時の残留応力などで熱衝撃に対してクラックが生じやすくなるので、透明エポキシ樹脂８のサイズは小さい方がよいからである。
【００２６】
更に、透明エポキシ樹脂８の側面放射面１０は、原点を中心とする球面の一部を成している。その側面放射面１０における反射面９ｂのエッジ位置と、発光素子６の焦点を水平方向へ延長したＸ軸とを垂直に結ぶ高さＨは、発光素子６の焦点と反射面９ｂのエッジ位置とを結ぶ斜めの直線Ｌ１と、Ｘ軸との角度θ２が、臨界角θｃよりも小さくなるような高さに設定されている。角度θ２は、（θｃ−５°）以下とするのが好ましい。これは、入射角がθｃに至らなくとも、図２１に示すように、θｃ近傍では界面反射が大きいという理由による。
【００２７】
また、上記の（９０°−θｃ）または２π｛１−ｃｏｓθｃ｝は、発光素子６に対して大きな立体角を有するといった意味があるが、もう一方で、発光素子６が発し、直接、側面放射面１０に達した光が界面反射し、迷光とならない範囲という意味がある。仮に、側面放射面１０がテーパーなしの垂直面であるとしても、θ１が（９０°−θｃ）以上であれば、θ２がθｃ以下となり、全反射による迷光は生じない。
【００２８】
ここで、ＬＥＤ２のサイズは、その直径が１０ｍｍ、反射面９ｂの直径Ｗが９ｍｍ、外端部のＺ方向の高さＨが１ｍｍ、Ｚ軸に対する発光素子６の上面から反射面９ｂ、外端部のなす角θ１が７０°であるとする。
【００２９】
また、発光素子６を実装したリードフレーム５ａは、発光素子６の実装部分の近傍から実装面下方へ透明エポキシ樹脂８の外部へ引き出すことによって、そのリードフレーム５ａが透明エポキシ樹脂８に埋まる部分をワイヤ７が露出しない範囲で極力少なくなるようにしてある。なお、他方のリードフレーム５ｂも同様に、細長い平板形状を成し、上記のリードフレーム５ｂの樹脂外部へ引き出す部分と平行に配置されている。
【００３０】
Ｚ軸に垂直な方向への放射、いわゆる側面放射のＬＥＤ２は、広い範囲への光を放射し、且つ十分な放射強度が求められることから、発光素子６は、大電流タイプ（高出力タイプ）のものが用いられている。例えば、図２に示すように、Ｎ型ＧａＰ基板１０１の上に、Ｎ型ＡｌＩｎＧａＰクラッド層１０２、発光する層を有する層１０３、Ｐ型ＡｌＩｎＧａＰクラッド層１０４、Ｐ型ＧａＰウインドウ層１０５が順次形成され、また、Ｐ型ＧａＰウインドウ層１０５の上に、このウインドウ層１０５とオーミック接触するためのＡｕＺｎコンタクト１０６を介してＡｌボンディングパッド（正電極）１０７が形成され、さらに、Ｎ型ＧａＰ基板１０１の下にＡｕ合金電極（負電極）１０８が形成された構造となっている。
【００３１】
このような構造の発光素子６の負電極１０８をリードフレーム５ａに実装し、前述のように正電極１０７とリードフレーム５ｂの先端とをワイヤ７でボンディングして、両電極１０７，１０８間に所定電圧を印加することによって、発光素子６が発光する。この発光は、各クラッド層１０２，１０４の各々で、キャリア（電子とホール）を発光する層を有する層１０３に閉じ込める作用が生じ、発光する層を有する層１０３で、キャリアが再結合されることによって行われる。
【００３２】
また、発光素子６は大電流タイプのものであることから発熱量が多くなる。そこで、第１の実施の形態では、発光素子６が実装されるリードフレーム５ａ，５ｂに、熱伝導率の高い銅合金材料（３００Ｗ／ｍ・ｋ以上）を用い、更に、図１に示したように、埋設部分を極力少なくすることによって、外部への放熱性を高め、発光素子６並びにリードフレーム５ａに熱が極力蓄積されないことにより、発光素子６の温度上昇を抑え、温度に対して負の光出力依存があるＬＥＤ２の光出力の低下を防止することができる。或いは、高めの通電電流設定によるＬＥＤ２の高光出力化を図ることができる。例えば、１００ｍＡを越える大きな電流を流して、大光量の光を得ることが可能となる。
【００３３】
次に、このような構成のＬＥＤ２の発光動作を説明する。
【００３４】
ＬＥＤ２のリードフレーム５ａ，５ｂに電圧を印加すると発光素子６が発光する。発光素子６からの出射光のうち、Ｚ軸に沿って直上に向かった光は、平坦面９ａから透明エポキシ樹脂８をそのまま通り抜けて直進し、外部放射される。また、発光素子６で発光された光のうち反射面９ｂへ至った光は、反射面９ｂへの入射角が大きいため全て全反射されて側面放射面１０に向かう。ここで、反射面９ｂは、前述した反射形状を成すので、反射面９ｂで反射された光は、全てＸ−Ｙ平面に略平行に放射される。そして、側面放射面１０は、発光素子６を中心とする球面の一部を成しているため、その略平行に進む光は、側面放射面１０で僅かに下方向へ屈折するものの、ほぼそのまま略平行に進んでＺ軸周り３６０度の方向に略平面状に放射される。
【００３５】
ここで、図２２（ａ）〜（ｃ）は、標準的な発光素子の光度分布、光束分布、光束積算の特性図であり、横軸は中心軸に対する角度、縦軸はそれぞれ光度比、光束比、光束比である。Ｚ軸に対する外端部のなす角θ１は７０°であるので、発光素子が発する光のうち約８０％が反射面９ｂへ至って反射され、側面放射面１０から略平面状に放射される。また残りの約２０％も側面放射面１０で屈折することなく、Ｚ軸に対し、７０°以上の方向へ放射される。
【００３６】
このように、第１の実施の形態のＬＥＤ２によれば、光源である発光素子６を透明エポキシ樹脂８で封止すると共に、光学面である平坦面９ａ、反射面９ｂ、側面放射面１０をモールド形成し、その反射面９ｂを、発光素子６位置の原点を焦点としＸ軸を対称軸とする放物線の一部を、中心軸Ｚの周りに回転させた形状の反射形状としたので、発光素子６が発した光を理想的な効率で側面放射することができる。
【００３７】
また、透明エポキシ樹脂８の側面放射面１０を、発光素子６を中心とする球面の一部を成す形状としたので、反射面９ｂで反射されて略平行に進む光は、側面放射面１０をほぼそのまま略平行に進んでＺ軸周り３６０度の方向に略平面状に外部放射され、さらに、発光素子６から側面放射面１０に直接向かった光は側面放射面１０で屈折することなくそのままの向きで外部放射される。従って、Ｚ軸に対して小さな角度範囲に放射される光はなく、側面放射面１０から一次光として制御されて側面方向へ外部放射される光の放射効率を、大幅に向上させることができる。
【００３８】
また、透明エポキシ樹脂８の側面放射面１０は、発光素子６を中心とする球面の一部を成しているので、側面放射面１０がテーパー形状となっており、ポッティングモールド又はキャスティングモールド形成時における型抜きを、透明エポキシ樹脂８を破損することなく容易に行うことができる。逆テーパー形状や垂直形状では、型抜きを容易に行うことができず、透明エポキシ樹脂８を破損することもある。従って、現在一般に用いられている製造方法並びに樹脂材料で製造することができ、この際、量産性、特性安定性を向上させることができる。
【００３９】
但し、側面放射面１０は、球面形状でなく、円筒形状の中心側に僅かに傾斜（例えば約４°の勾配）した円錐面の一部を用いた形状としてもよい。この形状でも、型抜きを、透明エポキシ樹脂８を破損することなく容易に行うことができる。この他、型抜きが容易な形状であればよい。
【００４０】
また、反射面９ｂの中央、つまり発光素子６の直上に平坦面９ａを形成し、平坦面９ａの周縁から反射面９ｂのように湾曲させることでＬＥＤ２を、より薄くすることができる。直上平面を形成せずに湾曲させると、発光素子６とこの直上界面との距離を長くしなければならないので、その分、厚くなるが、この点を解消することができる。なお、平坦面９ａに限らず凹面や凸面であってもよい。
【００４１】
また、発光素子６の直上に平坦面９ａを有するので、発光素子６の出射光のうち直上に向かう光（垂直光）を平坦面９ａから外部へ放射することができる。従って、ＬＥＤ２の平坦面９ａと側面放射面１０で構成される照射面全面を照射することができる。
【００４２】
また、反射面９ｂの直径Ｗを、φ１０ｍｍ以下と小さくすることができるので、透明エポキシ樹脂８のサイズが大きい場合に生じる樹脂硬化時の残留応力が起因する熱衝撃によるクラックの発生を無くすことができる。
【００４３】
また、ＬＥＤ２は、用途に応じては、平坦面９ａが形成されていない構成とすることも可能である。この場合、Ｚ軸方向へ光は放射されないが、発光素子６で発光された光を、上記同様に反射面９ｂで側面放射面１０方向へ反射させることができる。
【００４４】
また、反射面９ｂは、原点を焦点としＸ軸を対称軸とする放物線の一部を、中心軸Ｚの周りに回転させた円状の反射形状を成しているとしたが、中心軸Ｚに対し、放物線の対称軸が９０°未満の傾きとなる放物線の一部を、中心軸Ｚの周りに回転させた円状の反射形状を成していてもよい。この反射面の形状では、反射光は斜め上方へも反射されることになる。この反射面を有するＬＥＤの使用用途については、後述の第２の実施の形態の変形例で説明する。
【００４５】
更に、反射面９ｂは、発光素子６又は、その周囲を焦点とする楕円、放物線、双曲線の何れか１つの一部を、発光素子６の中心軸Ｚ周りに回転させた形状であってもよい。更には、図４にＬ２で示すように、放物線上の複数の点を直線で接続した線分の一部を、中心軸Ｚ周りに回転させた形状であってもよい。また、中心軸Ｚ周りに回転させた形状以外にも、中心軸Ｚ方向から見て楕円形状となるもの、その他、発光素子６から発した光を有効に側面方向へ放射できるものであれば非軸対称形状であってもよい。
【００４６】
リードフレーム５ａ，５ｂを銅合金材料（熱伝導率３００Ｗ／ｍ・ｋ以上）と説明したが、他の熱伝導度の高い材料でも良く、３００Ｗ／ｍ・ｋ以上でなくても良い。また、発光素子６を大電流タイプとしない場合は鉄合金などを用いても良い。
【００４７】
この他、ＬＥＤ２の第１の変形例として、図５（ａ）の平面図並びに（ｂ）の断面図に示すＬＥＤ２ａのように、一対のリードフレーム１２２ａ，１２２ｂの内、発光素子６が実装されるリードフレーム１２２ａを、透明エポキシ樹脂８との境界でクラックが生じないように、発光素子６の熱を広範囲に伝導して分散させることが可能な広面積を有すると共に、その広面積部分の縁に繋がる細長い平板形状を形成し、この細長い平板形状を縁の部分で下方に折り曲げて透明エポキシ樹脂８の外部へ引き出し、樹脂８への埋設部分を極力少なくしてもよい。なお、図５の例では、広面積部分を、一対で円形状となるようにしたが、熱を分散できる広面積を有していれば、他どの様な形状であっても良い。
【００４８】
このような構成のＬＥＤ２ａにおいては、発光素子６が実装されるリードフレーム１２２ａの透明エポキシ樹脂８に封止された部分が、発光素子６の熱を広範囲に伝導して分散させる広面積となっているので、発光素子６が大電流タイプで発熱量が多いものでも、発光素子６から直接透明エポキシ樹脂８に伝導する熱、並びに発光素子６からリードフレーム１２２ａを介して透明エポキシ樹脂８に伝導する熱を、広面積のリードフレーム１２２ａ全体に分散させることができる。
【００４９】
更に、リードフレーム１２２ａにおける発光素子６の実装面を、発光素子６から下方へ放射された光を反射する反射面とすることができるので、光学的に有利となる。
【００５０】
次に、ＬＥＤ２の第２の変形例として、図６に示すＬＥＤ２ｂのように、発光素子６を小形状の透明シリコン樹脂８ｓで封止した後に、透明エポキシ樹脂８で封止してもよい。この場合、発光素子６を、一旦小形状の透明シリコン樹脂８ｓで封止するので、残留応力をより緩和させることができ、寿命を長くさせることが可能となる。また、透明シリコン樹脂８ｓに、蛍光体を混入させても良く、透明シリコン樹脂８ｓ以外の透光性材料を用いても良い。
【００５１】
次に、ＬＥＤ２の第３の変形例として、図７に示すように、ＬＥＤ２ｃにおいて、一対のリードフレーム１２ｂ，１２ｃを発光素子６の周辺のみ凹ませて反射面とする。但し、一対のリードフレーム１２ｂ，１２ｃの平面形状は、図５に示したリードフレーム１２２ａ，１２２ｂと同様であるとする。
【００５２】
これによって、ＬＥＤ２の基本形においては、発光素子６の直上方向にのみ光が放射されていたのに対して、ＬＥＤ２ｃにおいては、発光素子６の周囲からも上方に光が放射されるようになり、より全体が発光しているように見え、見栄えが向上するという効果が得られる。
【００５３】
次に、ＬＥＤ２の第４の変形例として、図８に示すように、ＬＥＤ２ｄにおいて、一対のリードフレーム１３ａ，１３ｂにハーフエッチングやスタンピングパターンにより、図示するような鋸歯状のパターンを設けることによって、発光素子６から斜め下方に放射される光を反射して上方に光を放射するようにしても良い。但し、一対のリードフレーム１３ａ，１３ｂの平面形状は、図５に示したリードフレーム１２２ａ，１２２ｂと同様であるとする。
【００５４】
このようにリードフレーム１３ａ，１３ｂに複数の同心円反射鏡を形成することにより、上記第３の変形例と同様に、より全体が発光しているように見せることができ、見栄え向上を図ることができる。なお、この場合には、透明エポキシ樹脂８とリードフレーム１３ａ，１３ｂとの接着面積が増し、接着形状を平面形状でなくすることによる剥離不良低減の効果もある。特に、発熱の大きい大電流タイプの場合に有効である。
【００５５】
次に、ＬＥＤ２の第５の変形例として、図９に示すように、ＬＥＤ２ｅにおいて、透明エポキシ樹脂８による封止部分の側面形状を変更しても良い。基本例の側面放射面１０は、発光素子６を中心とする球面形状の一部であり、発光素子６から出た光は側面放射面１０に略垂直に入射してそのまま直進するようになっていた。この第５の変形例においては、側面１４は発光素子６を一方の焦点とする楕円体表面の一部を成しており、発光素子６から出た光は側面１４において直進方向に対してやや下方に屈折する。
【００５６】
次に、ＬＥＤ２の第６の変形例として、図１０に示すように、ＬＥＤ２ｆにおいて、反射面９ｂにおける側方への反射を、透明エポキシ樹脂８と空気の境界面における全反射によらず、上面９ｃにメッキ、蒸着等を施した金属反射膜１５を付着させても良い。この場合には、発光素子６の真上を平坦にしてしまうと真上に放射される光は外部放射されなくなるので、上面９ｃの中心部分まで全て発光素子６を焦点とする放物線の一部をＺ軸周りに回転させた形状とする必要がある。
【００５７】
次に、ＬＥＤ２の第７の変形例として、図１１に示すように、ＬＥＤ２ｇを、基本形の反射鏡９よりも直径を小さくして形成した概略円柱形状の反射鏡９ｄの外周に、別体の環状反射鏡９ｅを形成して、反射鏡９ｆを形成した。この反射鏡９ｆを形成する場合、例えば第１の樹脂封止用金型に、前述したように発光素子６が実装され、且つワイヤボンディングされた一対のリードフレーム５ａ，５ｂ（またはリードフレーム１２２ａ，１２２ｂ）をセットし、透明エポキシ樹脂８ａを流し込んで硬化する。この硬化によって形成された反射鏡９ｄを第２の樹脂封止用金型にセットし、透明エポキシ樹脂８ｂを流し込んで硬化することによって環状反射鏡９ｅを形成する。なお、予め個々に作製した概略円柱形状の反射鏡９ｄに、環状反射鏡９ｅを嵌め込んで形成しても良い。
【００５８】
このように形成された反射鏡９ｆの外形は、基本形９と同様である。従って、環状反射鏡９ｅの外側面は、基本形９と同様に発光素子６を中心とする球面の一部を成す形状となっている。また、概略円柱形状の反射鏡９ｄと環状反射鏡９ｅとの境界は、この例では図示するように垂直としたが、基本形９と同じく発光素子６を中心とする球面の一部を成す形状としても良い。
【００５９】
このようなＬＥＤ２ｇによれば、発光素子６、ボンディングワイヤ７および一対のリードフレーム５ａ，５ｂを封止する透明エポキシ樹脂を、第１と第２の透明エポキシ樹脂８ａ，８ｂに分離したので、各々の樹脂８ａ，８ｂの体積が基本形の透明エポキシ樹脂８よりも小さくなり、各々の残留応力を小さくすることができる。つまり、発光素子６並びに発光素子６からリードフレーム５ａを介して各々の透明エポキシ樹脂８ａ，８ｂに熱が伝導しても、各々の残留応力は小さく個別のものなので、熱により触発される残留応力による熱膨張を小さくすることができる。従って、熱膨張によって、発光素子６並びにリードフレーム５ａと透明エポキシ樹脂８ａとの境界でクラックが生じるといったことを防止することができる。
【００６０】
さらに、図７〜図１０に示したＬＥＤ２ｃ〜２ｆに、第７の変形例で説明した透明エポキシ樹脂を分割して反射鏡を形成する構成を採用しても、同様にクラックの発生を防止することができる。
【００６１】
（第２の実施の形態）
図１２は、本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤを用いたＬＥＤライトの全体構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ｂ）のＰ部分の拡大図である。
【００６２】
図１２に示すように、ＬＥＤライト１は、円盤形状の本体の中心に、図１に示したＬＥＤ２を搭載し、このＬＥＤ２の周囲に同心円の階段状の反射面３ａが形成された反射鏡３で囲んだ構造を成している。以降、ＬＥＤ２の反射鏡９を第１の反射鏡９、上記の反射鏡３を第２の反射鏡３と称す。
【００６３】
第２の反射鏡３は、透明アクリル樹脂で成形した後、上面にアルミ蒸着を施すことによって反射面３ａを形成している。各反射面３ａは、図１２（ｃ）に示すように、Ｘ−Ｙ平面に対して約４５度に傾斜している。
【００６４】
次に、このような構成のＬＥＤ２を用いた応用例であるＬＥＤライト１の発光動作を、図１２を参照して説明する。
【００６５】
第１の実施の形態において図１を参照して説明したように、ＬＥＤ２からＸ−Ｙ平面に略平行に放射された光は、第２の反射鏡３の略４５度の傾斜を有する反射面３ａで略Ｚ軸方向へ反射され、外部へ放射される。
【００６６】
このように、ＬＥＤ２と第２の反射鏡３との組合せによって、大面積で薄型の灯具であるＬＥＤライト１とすることができる。更に、ＬＥＤ２に代え、第１〜第７の変形例のＬＥＤ２ａ〜２ｇの何れかを用いても、同様な効果を奏すことが可能となる。
【００６７】
また、ＬＥＤライト１において、ＬＥＤ２と第２の反射鏡３との関係は、図１３の（ａ）及び（ｂ）に比較例を示すように、ＬＥＤ２が第２の反射鏡３に対して小さい方が概して望ましい。これは、ＬＥＤ２が中央部のみが発光点ｏとして視認され、（ａ）に示す内径の小さい第２の反射鏡３は、ほぼ全体が発光して視認されるが、（ｂ）に示す内径の大きい第２の反射鏡３は、中抜けした発光として視認されることになる。
【００６８】
本ＬＥＤ２は、径を小さくすることができるので、（ａ）に示すような第２の反射鏡３との関係でＬＥＤライト１を構成することができる。従って、ほぼ全体が発光して見えるようにすることが可能となる。
【００６９】
但し、（ｂ）に示す内径の大きい第２の反射鏡３を用いる場合は、図７に示したＬＥＤ２ｃ又は図８に示したＬＥＤ２ｄを用いれば、ほぼ全体が発光して見えるようにすることが可能となる。
【００７０】
この他、ＬＥＤライト１の第１の変形例として、図１４に示すように、反射面９ｂに環状のレンズ９ｈを形成して、発光素子６で発光された光を平坦面９ａ以外に上方へ放射するＬＥＤ２ｈを、（ｂ）の構成に用いても良い。
【００７１】
次に、ＬＥＤライト１の第２の変形例として、図１５に示すＬＥＤライト１ａがある。このＬＥＤライト１ａに用いられているＬＥＤ２ｉがＬＥＤ２と異なる点は、反射面９ｂが発光素子６を焦点としない放物線の一部を中心軸Ｚの周りに回転させた円状の反射形状を成す。これによって、ＬＥＤ２では発光素子６から出射されて反射される光が、略平行光であったのに対し、ＬＥＤ２ｉでは拡がった光となる。この際にもＬＥＤ２と同様、側面放射面１０から一次光として制御されて外部放射されるので、この結果、図１６に示す配光が得られる。なお、高さｈ１が図１２（ｂ）のｈよりも高い第２の反射鏡３ｃを組み合わせて構成する必要がある。但し、ＬＥＤ２ｉにおいては、側面での全反射または大きな界面反射が生じない範囲で、発光素子６に対する反射面の大きさを小さくしてもかまわない。
【００７２】
なお、図２１に側面放射面１０への入射角に対する透過度を示す。臨界角：θｃである４０°余りで全反射となり透過度は０％となるが、θｃ−５°以上でも全反射とはならないものの、界面反射影響が大きい。このため、側面放射面１０への入射角はθｃ−５°がさらに望ましい。
【００７３】
このようなＬＥＤライト１ａにおいては、ＬＥＤ２ｈから光が、効率よく水平方向並びに斜め上方へも放射され、この放射光が第２の反射鏡３ｃの反射面３ａで反射されるので、ＬＥＤライト１ａを奥行き感のある灯具とすることができる。この際にも、９０°−θｃとすることで、迷光ロスの無い有効な外部放射を考慮した。
【００７４】
次に、ＬＥＤライト１の第３の変形例として、図１７の（ａ）〜（ｄ）に示すように、ＬＥＤライト１ｂの第２の反射鏡３ａを、上記図１に示した基本例の第２の反射鏡３のように全体を略均一に光らせるのではなく、発光点を点在させることもできる。即ち、図１７（ａ）に示すように、円形の第２の反射鏡３ｄを扇形に分割して、図１７（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、ＬＥＤ２（又はＬＥＤ２ｂ〜２ｆの何れか）から反射面２３ａまでの距離を何種類かに分ける。これによって、上方から見たときに反射光の放射される位置が円の中で散らばり、きらきらと光り美しく見えるという効果がある。なお、この第３の変形例においては、各扇形において、それぞれ一段の反射面２３ａでＬＥＤ２からの光を全て反射しなければならないので、図１７（ｂ）〜（ｄ）に示す各反射面２３ａの高さは、同図（ｂ）に示すように基本例である円形階段形反射鏡３の全体の高さｈと同じ高さにする必要がある。
【００７５】
次に、ＬＥＤライト１の第４の変形例として、図１８の（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＬＥＤライト１ｃの第２の反射鏡３ｅを、扇形に分割してそれぞれ長さを変えることによって、第２の反射鏡３ｅの形状を、多角形の１つとしての正方形に近づけることができる。即ち、図１８（ｂ），（ｃ）に示すように、最も短い扇形においては、反射面２６ａから次の反射面２６ａまでの長さをＬとすると、その扇形から４５度ずれた最も長い扇形においては、反射面２６ａから次の反射面２６ａまでの長さを√２Ｌとする。これによって、図１８（ａ）に示すように、概略正方形状の第２の反射鏡３ｅを形成することができる。
【００７６】
例えば、基本形のＬＥＤライト１の応用として、図１９に示すように、図１２に示した円形のＬＥＤライト１を正方形またはその一部に切断して、断片１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆの６個を作製し、これらを図のように組み合わせて所定エリアをカバーする複数の発光素子を有する一体型のＬＥＤライト１１とすることができる。
【００７７】
このように、複数の正方形のＬＥＤライト１１ａ，…を連結する場合でも、図１８に示したＬＥＤライト１ｃを用いれば、円形のＬＥＤライト１ｃを正方形にカットする必要がないので、外部放射効率の低下がなく、より明るい連結型ライトとなる。また、概略円柱形状のＬＥＤ２，２ａ〜２ｉの代わりに略正方形のＬＥＤを光源として用いた場合、ＬＥＤの各側面から反射鏡２６までの距離が全周に亘ってほぼ等しくなるという利点もある。
【００７８】
このような利点を有するＬＥＤライト１ｃを用いて、例えば図２０に示すような自動車のテールライトやブレーキライト等に適用できる車両用の灯具１１０を形成すれば、より明るい灯具を形成することができる。灯具１１０は、内部が空洞となったカバー１１１の中に、矢印Ｙ１で指示する方向の正面位置が各々異なる３段２列の階段状の台座１１２を形成し、この台座１１２の正面にＬＥＤライト１ｂを固定し、カバー１１１の内壁１１１ａと、台座１１２の上面１１２ｂおよび側面１１２ｃにアルミメッキを施して形成されている。
【００７９】
即ち、カバー１１１の内面全てが光を効率よく反射するので、ＬＥＤライト１ｃから半球全ての方向に放射される光が効率よく反射され、より明るい灯具を形成することができる。また、ＬＥＤライト１ｃから放射された光は、カバー１１１の内壁１１１ａの側面や、台座１１２の側面１１２ｃにも反射するので、矢印Ｘ１で指示する横方向からも出射される。従って、自動車のテールライトやブレーキライトに適用すれば、自動車の真後ろだけでなく、横方向からの光の視認性も向上させることができる。
【００８０】
上記第１及び第２の実施の形態においては、発光素子等を封止する光透過性材料として透明エポキシ樹脂を主に用いているが、その他の光透過性材料でも構わない。また、第２の反射鏡としての、または第１の反射鏡と第２の反射鏡を兼ねる光学体として透明アクリル樹脂を用いているが、その他の透明合成樹脂を始めとして、他の材料を用いることもできる。さらに、ＬＥＤライトのその他の部分の構成、形状、数量、材質、大きさ、接続関係等についても、上記実施の形態に限定されるものではない。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、リードフレームに実装された発光素子を透光性材料で封止し、この封止手段に発光素子の発光面と対向する位置に配置され、発光素子から発光された光を側面放射面へ反射する反射面を形成した発光ダイオードにあって、反射面は、発光素子に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有し、側面放射面は、反射面で反射された光と、発光素子から発光された光とがθｃ以内で入射される形状を成すようにした。
【００８２】
従って、反射面で反射されて略平行に進む光は、側面放射面をほぼそのまま略平行に進んで発光素子の中心軸周り３６０度の方向に略平面状に外部放射され、さらに、発光素子から側面放射面に直接向かった光は側面放射面で屈折することなくそのままの向きで外部放射される。従って、中心軸に対して小さな角度範囲に放射される光はなく、側面放射面から一次光として制御されて外部放射される光の放射効率を、大幅に向上させることができる。
【００８３】
また、ＬＥＤライトにおいても、上記の発光ダイオードを備え、この発光ダイオードから放射される光を反射する反射鏡を備えたので、発光ダイオードの側面放射面から一次光として制御されて外部放射される放射効率の高い光を、反射鏡で反射させるので、この反射による放射効率を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ（発光ダイオード）の構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】実施の形態１に係るＬＥＤに用いられる発光素子の構成を示す断面図である。
【図３】リードフレームを水平方向に引き出した場合のＬＥＤの断面図である。
【図４】実施の形態１に係るＬＥＤの配光特性を示す図である。
【図５】実施の形態１に係るＬＥＤの第１の変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図である。
【図６】実施の形態１に係るＬＥＤの第２の変形例を示す断面図である。
【図７】実施の形態１に係るＬＥＤの第３の変形例を示す断面図である。
【図８】実施の形態１に係るＬＥＤの第４の変形例を示す断面図である。
【図９】実施の形態１に係るＬＥＤの第５の変形例を示す説明図である。
【図１０】実施の形態１に係るＬＥＤの第６の変形例を示す部分拡大図である。
【図１１】実施の形態１に係るＬＥＤの第７の変形例を示す断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤを用いたＬＥＤライトの全体構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ｂ）のＰ部分の拡大図である。
【図１３】第２の実施の形態に係るＬＥＤを用いたＬＥＤライトにおいて、ＬＥＤと第２の反射鏡とのサイズの関係を示す図であり、（ａ）は小径のＬＥＤを用いた様子を示し、（ｂ）は大径のＬＥＤを用いた様子を示す図である。
【図１４】第２の実施の形態に係るＬＥＤライトの第１の変形例に用いられるＬＥＤのを示す断面図である。
【図１５】第２の実施の形態に係るＬＥＤライトの第２の変形例を示す断面図である。
【図１６】上記第２の変形例のＬＥＤライトに用いられるＬＥＤの配光特性を示す図である。
【図１７】第２の実施の形態に係るＬＥＤライトの第３の変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
【図１８】第２の実施の形態に係るＬＥＤライトの第４の変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図、（ｃ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。
【図１９】第２の実施の形態に係るＬＥＤライトの周囲を矩形にカットし、複数個を合わせて一定範囲をカバーするようにした構造を示す平面図である。
【図２０】ＬＥＤライトの第３の変形例によるＬＥＤライトを複数組み合わせて形成した車両用の灯具の構造を示す斜視図である。
【図２１】ＬＥＤの入射角と透過率との関係図である。
【図２２】標準的な発光素子（２０ｍｉｌ及び１４ｍｉｌの場合）の光度分布、光束分布、光束積算の特性図である。
【図２３】従来のＬＥＤの構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ ＬＥＤライト
２，２ａ〜２ｉ，２００ ＬＥＤ（発光ダイオード）
３，３ａ，３ｃ，２３，２６ 第２の反射鏡
５ａ，５ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１２０ａ，１２０ｂ，１２２ａ，１２２ｂ，２０５ａ，２０５ｂ リードフレーム
６，２０６ 発光素子
７，２０７ ボンディングワイヤ
８，８ａ，８ｂ，２０８ 透明エポキシ樹脂（光透過性材料）
８ｓ 透明シリコン樹脂
９，９ｆ，２０９ 第１の反射鏡
９ａ 平坦面
９ｂ，２１０ 反射面
９ｃ 上面
９ｄ 概略円柱形状の反射鏡
９ｅ 環状反射鏡
９ｈ 環状レンズ
１０ 側面放射面
１２ｂ，１２ｃ，１３ａ，１３ｂ 第３の反射鏡
１５ 金属面
１０１ Ｎ型ＧａＰ基板
１０２ Ｎ型ＡｌＩｎＧａＰクラッド層
１０３ 発光する層を有する層
１０４ Ｐ型ＡｌＩｎＧａＰクラッド層
１０５ Ｐ型ＧａＰウインドウ
１０６ ＡｕＺｎコンタクト
１０７ Ａｌボンディングパッド（正電極）
１０８ Ａｕ合金電極（負電極）
１１０ 車両用の灯具
１１１ カバー
１１１ａ カバーの内壁
１１２ 台座
１１２ｂ 台座の上面
１１２ｃ 台座の側面
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のテールライトやブレーキライト、または工事用の警報ランプや標識など広範囲の分野における照明装置並びに表示装置として適用される発光ダイオードおよびＬＥＤライトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発光ダイオード（ＬＥＤともいう）として、例えば、図２１（ａ）、（ｂ）に示すものがある。このＬＥＤ２００は、リードフレーム２０５ａ，２０５ｂと、リードフレーム２０５ａ上に搭載された発光素子（ＬＥＤチップ）２０６と、発光素子２０６を封止するエポキシ樹脂２０８より構成されている。
【０００３】
発光素子２０６は、第１の電極（例えば、ｎ電極）がリードフレーム２０５ａに接続され、第２の電極（例えば、ｐ電極）がボンディングワイヤ２０７によってリードフレーム２０５ｂに接続されている。
【０００４】
発光素子２０６は、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点に位置し、発光素子２０６の中心軸はＺ軸と一致し、また、第２の電極が位置する光出射面は、Ｘ軸及びＹ軸によって形成されるＸ−Ｙ面に平行である。エポキシ樹脂２０８は、Ｚ軸と４５°を成す逆円錐状の窪みによって形成された反射面２１０と、全体を円筒形にする光出射用の側面２０９を有する。
【０００５】
以上の構成において、発光素子２０６から出射された光は反射面２１０によって反射され、Ｘ−Ｙ面に平行な光ａとして側面２０９により出射される。Ｘ−Ｙ面に平行な光ａは、略平行な光を含めて反射角が制御された制御光であり、例えば、これを一次光（設計通りの光）とし、この一次光を図示せぬ外部反射面によってＺ軸と略平行になるように反射する二次光を形成し、この二次光を、例えば、テールライトの表示光として利用することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＬＥＤ２００においては、光制御されて一次光として側面方向へ光放射できるものではなかった。即ち、反射面２１０が発光素子２０６の光出射面から離れて位置し、Ｚ軸から離れるに従い一次関数的にＺ軸方向高さが増す。このため、発光素子２０６に対して反射面２１０を大きな立体角とすることができない。例えば、ＬＥＤ２００の外径が５ｍｍ、発光素子２０６が標準的な配光ものであり、その発光素子２０６上面から１．５ｍｍ上に逆円錐形状の光反射面２１０が形成されているとすると、Ｚ軸から約３５°の範囲（立体角：約１．１ｓｔｒａｄ）の光、即ち全光量の２０〜３０％の光が反射面２１０へ至るに留まり、残りの光は発光素子２０６から直接側面２０９へ至って放射される。
【０００７】
そして、反射面２１０で反射される光の一部は、ａで示すように側面方向へ反射し、側面２０９から側面方向へ外部放射されるが、ｂ，ｃのように側面２０９で大きく屈折し、側面方向ではない方向へ外部放射される光や、更にはｄのように側面２０９で界面反射し、側面２０９から外部放射されず迷光となる光が多い。また、発光素子２０６から出射された光のうち、反射面２１０へ至らない光は、直接側面２０９へ至る。そして、ｅのように一部は側面２０９から側面方向へ外部放射されるが、ｇのように側面２０９で大きく屈折し、側面方向ではない方向へ外部放射される光や、更にはｈやｉのように側面２０９で界面反射し、側面２０９から外部放射されず、迷光となる光が多い。従って、従来のＬＥＤ２００は、光の側面方向への放射効率が低いという問題を有する。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、制御されて外部放射される光の放射効率を向上させることができる発光ダイオードおよびＬＥＤライトを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の発光ダイオードは、電源供給手段に実装された発光素子を透光性材料の封止部材で封止し、前記発光素子の発光面に対し放射光を受けて反射する反射面と、前記反射面からの反射光と前記発光素子からの直接光を放射する側面放射面とを前記封止部材に形成して構成された発光ダイオードにおいて、前記反射面は、前記発光素子に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有し、前記側面放射面は、前記反射面で反射された反射光の入射角及び前記発光素子から放射された直接光の入射角が前記θｃより小なる角度を有して形成され、前記発光素子から発光された光を入射して外部へ放射することを特徴としている。このように反射面が、２π｛１−ｃｏｓθｃ｝以上の立体角を有する場合、発光素子が発する光の半分以上の光を側面方向へ放射する制御を行うことができる。また、側面放射面へ入射する反射光や直接光の角度がθｃより小さい角度を有する場合、入射光が側面放射面で反射せずに外部放射するため迷光が生じず、高効率の側面放射を行うことができる。
【００１０】
また、前記反射面は、前記発光素子の中心軸（Ｚ軸）に対し直交するＸ軸でなす平面においてＺ＝ｆ（Ｘ）の一部の線分を前記発光素子の中心軸回りに回転させた形状であり、前記Ｚ＝ｆ（Ｘ）は｛ｄ２ｆ（Ｘ）／ｄＸ２｝＜０であることを特徴としている。このようにＺ＝ｆ（Ｘ）が｛ｄ２ｆ（Ｘ）／ｄＸ２｝＜０である場合は、反射面が同一径の場合に、発光素子に対して大きな立体角としても側面放射面への入射角を小さなものとすることができる。
【００１１】
また、前記反射面は、前記発光素子又は、その周囲を焦点とする楕円、放物線、双曲線の何れか１つの一部を、前記発光素子の中心軸回りに回転させた形状を成すことを特徴としている。これは、｛ｄ２ｆ（Ｘ）／ｄＸ２｝＜０で示される曲線のうち、実際に使用されうる一般的な形状を意味する。
【００１２】
また、前記反射面は、前記発光素子の直上に光取出面を有することを特徴としている。このように光取出面を有する場合、反射面中央部から光取り出しができる。反射面を発光素子に近接形成でき、反射面が同一径の場合、発光素子に対し大きな立体角が得られる。
【００１３】
また、前記反射面は、径が１０ｍｍ以下であることを特徴としている。この場合、小型化によりモールド形成性が向上する。Ｚ軸方向から観察する際に非発光となる反射面の面積を小さくすることができる。
【００１４】
また、前記側面放射面は、前記発光素子側に傾斜する勾配を有することを特徴としている。
【００１５】
また、前記側面放射面は、前記発光素子を中心とする球面の一部を成すことを特徴としている。
【００１６】
また、前記リードフレームは、熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・ｋ以上の導電性材料で形成され、前記封止手段の下面から引き出されていることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明のＬＥＤライトは、電源供給手段に実装された発光素子を透光性材料の封止部材で封止し、前記発光素子の発光面に対し放射光を受けて反射する反射面と、前記反射面からの反射光と前記発光素子からの直接光を放射する側面放射面とを前記封止部材に形成して構成され、前記反射面が、前記発光素子に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有し、前記側面放射面が、前記反射面で反射された反射光の入射角及び前記発光素子から放射された直接光の入射角が前記θｃより小なる角度を有して形成され、前記発光素子から発光された光を入射して外部へ放射する発光ダイオードと、前記発光ダイオードから放射される光を反射する反射鏡とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ（発光ダイオード）の構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【００２０】
図１に示すように、第１の実施の形態のＬＥＤ２は、透明エポキシ樹脂８によって、光源である発光素子６を封止するとともに光学面が形成された一体構造となっているが、以降説明のため、発光素子６の中心軸をＺ軸とし、このＺ軸上の発光素子６の上面位置を原点とし、原点でＺ軸にそれぞれ直交するＸ軸とＹ軸を設けた座標系としてある。但し、Ｚ軸は中心軸Ｚとも称す。
【００２１】
即ち、ＬＥＤ２は、Ｘ−Ｙ平面上に絶縁のための間隙を介して配置した一対の銅合金によるリードフレーム５ａ，５ｂのうち、一方のリードフレーム５ａの上記原点位置に発光素子６を銀ペーストを介して実装し、発光素子６の上面の電極とリードフレーム５ｂの先端部とを、金のワイヤ７でボンディングし、さらに、各リードフレーム５ａ，５ｂの一部分、発光素子６、ワイヤ７を、透明エポキシ樹脂８（屈折率１．５５）によって封止すると共に光学面をモールド形成したものである。
【００２２】
このＬＥＤ２の主な特徴は、透明エポキシ樹脂８の形状にある。即ち、透明エポキシ樹脂８は、その上面の中心部分（発光素子６の直上部分）が平坦面９ａとなっており、この平坦面９ａに続いて反射面９ｂが形成され、これによって反射鏡９が構成されている。
【００２３】
反射面９ｂは、原点を焦点としＸ軸を対称軸とする放物線の一部を、中心軸Ｚの周りに回転させた円状の反射形状を成している。なお、平坦面９ａは、発光素子６で発光された光をＺ軸方向へ放射する光学面であり、凹面又は凸面であってもよい。用途に応じては、平坦面９ａが形成されていない構成とすることも可能である。
【００２４】
また、反射面９ｂは、発光素子６に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有する。或いは、発光素子６の焦点と反射面９ｂのエッジ位置とを結ぶ斜めの直線Ｌ１と、Ｚ軸との角度θ１が、（９０°−θｃ）以上となっている。
【００２５】
反射面９ｂの直径Ｗは、φ１０ｍｍ以下が好ましい。この理由は、透明エポキシ樹脂８のサイズが大きいと光学的には有利な設計が可能となるが、この場合、樹脂硬化時の残留応力などで熱衝撃に対してクラックが生じやすくなるので、透明エポキシ樹脂８のサイズは小さい方がよいからである。
【００２６】
更に、透明エポキシ樹脂８の側面放射面１０は、原点を中心とする球面の一部を成している。その側面放射面１０における反射面９ｂのエッジ位置と、発光素子６の焦点を水平方向へ延長したＸ軸とを垂直に結ぶ高さＨは、発光素子６の焦点と反射面９ｂのエッジ位置とを結ぶ斜めの直線Ｌ１と、Ｘ軸との角度θ２が、臨界角θｃよりも小さくなるような高さに設定されている。角度θ２は、（θｃ−５°）以下とするのが好ましい。これは、入射角がθｃに至らなくとも、図２１に示すように、θｃ近傍では界面反射が大きいという理由による。
【００２７】
また、上記の（９０°−θｃ）または２π｛１−ｃｏｓθｃ｝は、発光素子６に対して大きな立体角を有するといった意味があるが、もう一方で、発光素子６が発し、直接、側面放射面１０に達した光が界面反射し、迷光とならない範囲という意味がある。仮に、側面放射面１０がテーパーなしの垂直面であるとしても、θ１が（９０°−θｃ）以上であれば、θ２がθｃ以下となり、全反射による迷光は生じない。
【００２８】
ここで、ＬＥＤ２のサイズは、その直径が１０ｍｍ、反射面９ｂの直径Ｗが９ｍｍ、外端部のＺ方向の高さＨが１ｍｍ、Ｚ軸に対する発光素子６の上面から反射面９ｂ、外端部のなす角θ１が７０°であるとする。
【００２９】
また、発光素子６を実装したリードフレーム５ａは、発光素子６の実装部分の近傍から実装面下方へ透明エポキシ樹脂８の外部へ引き出すことによって、そのリードフレーム５ａが透明エポキシ樹脂８に埋まる部分をワイヤ７が露出しない範囲で極力少なくなるようにしてある。なお、他方のリードフレーム５ｂも同様に、細長い平板形状を成し、上記のリードフレーム５ｂの樹脂外部へ引き出す部分と平行に配置されている。
【００３０】
Ｚ軸に垂直な方向への放射、いわゆる側面放射のＬＥＤ２は、広い範囲への光を放射し、且つ十分な放射強度が求められることから、発光素子６は、大電流タイプ（高出力タイプ）のものが用いられている。例えば、図２に示すように、Ｎ型ＧａＰ基板１０１の上に、Ｎ型ＡｌＩｎＧａＰクラッド層１０２、発光する層を有する層１０３、Ｐ型ＡｌＩｎＧａＰクラッド層１０４、Ｐ型ＧａＰウインドウ層１０５が順次形成され、また、Ｐ型ＧａＰウインドウ層１０５の上に、このウインドウ層１０５とオーミック接触するためのＡｕＺｎコンタクト１０６を介してＡｌボンディングパッド（正電極）１０７が形成され、さらに、Ｎ型ＧａＰ基板１０１の下にＡｕ合金電極（負電極）１０８が形成された構造となっている。
【００３１】
このような構造の発光素子６の負電極１０８をリードフレーム５ａに実装し、前述のように正電極１０７とリードフレーム５ｂの先端とをワイヤ７でボンディングして、両電極１０７，１０８間に所定電圧を印加することによって、発光素子６が発光する。この発光は、各クラッド層１０２，１０４の各々で、キャリア（電子とホール）を発光する層を有する層１０３に閉じ込める作用が生じ、発光する層を有する層１０３で、キャリアが再結合されることによって行われる。
【００３２】
また、発光素子６は大電流タイプのものであることから発熱量が多くなる。そこで、第１の実施の形態では、発光素子６が実装されるリードフレーム５ａ，５ｂに、熱伝導率の高い銅合金材料（３００Ｗ／ｍ・ｋ以上）を用い、更に、図１に示したように、埋設部分を極力少なくすることによって、外部への放熱性を高め、発光素子６並びにリードフレーム５ａに熱が極力蓄積されないことにより、発光素子６の温度上昇を抑え、温度に対して負の光出力依存があるＬＥＤ２の光出力の低下を防止することができる。或いは、高めの通電電流設定によるＬＥＤ２の高光出力化を図ることができる。例えば、１００ｍＡを越える大きな電流を流して、大光量の光を得ることが可能となる。
【００３３】
次に、このような構成のＬＥＤ２の発光動作を説明する。
【００３４】
ＬＥＤ２のリードフレーム５ａ，５ｂに電圧を印加すると発光素子６が発光する。発光素子６からの出射光のうち、Ｚ軸に沿って直上に向かった光は、平坦面９ａから透明エポキシ樹脂８をそのまま通り抜けて直進し、外部放射される。また、発光素子６で発光された光のうち反射面９ｂへ至った光は、反射面９ｂへの入射角が大きいため全て全反射されて側面放射面１０に向かう。ここで、反射面９ｂは、前述した反射形状を成すので、反射面９ｂで反射された光は、全てＸ−Ｙ平面に略平行に放射される。そして、側面放射面１０は、発光素子６を中心とする球面の一部を成しているため、その略平行に進む光は、側面放射面１０で僅かに下方向へ屈折するものの、ほぼそのまま略平行に進んでＺ軸周り３６０度の方向に略平面状に放射される。
【００３５】
ここで、図２２（ａ）〜（ｃ）は、標準的な発光素子の光度分布、光束分布、光束積算の特性図であり、横軸は中心軸に対する角度、縦軸はそれぞれ光度比、光束比、光束比である。Ｚ軸に対する外端部のなす角θ１は７０°であるので、発光素子が発する光のうち約８０％が反射面９ｂへ至って反射され、側面放射面１０から略平面状に放射される。また残りの約２０％も側面放射面１０で屈折することなく、Ｚ軸に対し、７０°以上の方向へ放射される。
【００３６】
このように、第１の実施の形態のＬＥＤ２によれば、光源である発光素子６を透明エポキシ樹脂８で封止すると共に、光学面である平坦面９ａ、反射面９ｂ、側面放射面１０をモールド形成し、その反射面９ｂを、発光素子６位置の原点を焦点としＸ軸を対称軸とする放物線の一部を、中心軸Ｚの周りに回転させた形状の反射形状としたので、発光素子６が発した光を理想的な効率で側面放射することができる。
【００３７】
また、透明エポキシ樹脂８の側面放射面１０を、発光素子６を中心とする球面の一部を成す形状としたので、反射面９ｂで反射されて略平行に進む光は、側面放射面１０をほぼそのまま略平行に進んでＺ軸周り３６０度の方向に略平面状に外部放射され、さらに、発光素子６から側面放射面１０に直接向かった光は側面放射面１０で屈折することなくそのままの向きで外部放射される。従って、Ｚ軸に対して小さな角度範囲に放射される光はなく、側面放射面１０から一次光として制御されて側面方向へ外部放射される光の放射効率を、大幅に向上させることができる。
【００３８】
また、透明エポキシ樹脂８の側面放射面１０は、発光素子６を中心とする球面の一部を成しているので、側面放射面１０がテーパー形状となっており、ポッティングモールド又はキャスティングモールド形成時における型抜きを、透明エポキシ樹脂８を破損することなく容易に行うことができる。逆テーパー形状や垂直形状では、型抜きを容易に行うことができず、透明エポキシ樹脂８を破損することもある。従って、現在一般に用いられている製造方法並びに樹脂材料で製造することができ、この際、量産性、特性安定性を向上させることができる。
【００３９】
但し、側面放射面１０は、球面形状でなく、円筒形状の中心側に僅かに傾斜（例えば約４°の勾配）した円錐面の一部を用いた形状としてもよい。この形状でも、型抜きを、透明エポキシ樹脂８を破損することなく容易に行うことができる。この他、型抜きが容易な形状であればよい。
【００４０】
また、反射面９ｂの中央、つまり発光素子６の直上に平坦面９ａを形成し、平坦面９ａの周縁から反射面９ｂのように湾曲させることでＬＥＤ２を、より薄くすることができる。直上平面を形成せずに湾曲させると、発光素子６とこの直上界面との距離を長くしなければならないので、その分、厚くなるが、この点を解消することができる。なお、平坦面９ａに限らず凹面や凸面であってもよい。
【００４１】
また、発光素子６の直上に平坦面９ａを有するので、発光素子６の出射光のうち直上に向かう光（垂直光）を平坦面９ａから外部へ放射することができる。従って、ＬＥＤ２の平坦面９ａと側面放射面１０で構成される照射面全面を照射することができる。
【００４２】
また、反射面９ｂの直径Ｗを、φ１０ｍｍ以下と小さくすることができるので、透明エポキシ樹脂８のサイズが大きい場合に生じる樹脂硬化時の残留応力が起因する熱衝撃によるクラックの発生を無くすことができる。
【００４３】
また、ＬＥＤ２は、用途に応じては、平坦面９ａが形成されていない構成とすることも可能である。この場合、Ｚ軸方向へ光は放射されないが、発光素子６で発光された光を、上記同様に反射面９ｂで側面放射面１０方向へ反射させることができる。
【００４４】
また、反射面９ｂは、原点を焦点としＸ軸を対称軸とする放物線の一部を、中心軸Ｚの周りに回転させた円状の反射形状を成しているとしたが、中心軸Ｚに対し、放物線の対称軸が９０°未満の傾きとなる放物線の一部を、中心軸Ｚの周りに回転させた円状の反射形状を成していてもよい。この反射面の形状では、反射光は斜め上方へも反射されることになる。この反射面を有するＬＥＤの使用用途については、後述の第２の実施の形態の変形例で説明する。
【００４５】
更に、反射面９ｂは、発光素子６又は、その周囲を焦点とする楕円、放物線、双曲線の何れか１つの一部を、発光素子６の中心軸Ｚ周りに回転させた形状であってもよい。更には、図４にＬ２で示すように、放物線上の複数の点を直線で接続した線分の一部を、中心軸Ｚ周りに回転させた形状であってもよい。また、中心軸Ｚ周りに回転させた形状以外にも、中心軸Ｚ方向から見て楕円形状となるもの、その他、発光素子６から発した光を有効に側面方向へ放射できるものであれば非軸対称形状であってもよい。
【００４６】
リードフレーム５ａ，５ｂを銅合金材料（熱伝導率３００Ｗ／ｍ・ｋ以上）と説明したが、他の熱伝導度の高い材料でも良く、３００Ｗ／ｍ・ｋ以上でなくても良い。また、発光素子６を大電流タイプとしない場合は鉄合金などを用いても良い。
【００４７】
この他、ＬＥＤ２の第１の変形例として、図５（ａ）の平面図並びに（ｂ）の断面図に示すＬＥＤ２ａのように、一対のリードフレーム１２２ａ，１２２ｂの内、発光素子６が実装されるリードフレーム１２２ａを、透明エポキシ樹脂８との境界でクラックが生じないように、発光素子６の熱を広範囲に伝導して分散させることが可能な広面積を有すると共に、その広面積部分の縁に繋がる細長い平板形状を形成し、この細長い平板形状を縁の部分で下方に折り曲げて透明エポキシ樹脂８の外部へ引き出し、樹脂８への埋設部分を極力少なくしてもよい。なお、図５の例では、広面積部分を、一対で円形状となるようにしたが、熱を分散できる広面積を有していれば、他どの様な形状であっても良い。
【００４８】
このような構成のＬＥＤ２ａにおいては、発光素子６が実装されるリードフレーム１２２ａの透明エポキシ樹脂８に封止された部分が、発光素子６の熱を広範囲に伝導して分散させる広面積となっているので、発光素子６が大電流タイプで発熱量が多いものでも、発光素子６から直接透明エポキシ樹脂８に伝導する熱、並びに発光素子６からリードフレーム１２２ａを介して透明エポキシ樹脂８に伝導する熱を、広面積のリードフレーム１２２ａ全体に分散させることができる。
【００４９】
更に、リードフレーム１２２ａにおける発光素子６の実装面を、発光素子６から下方へ放射された光を反射する反射面とすることができるので、光学的に有利となる。
【００５０】
次に、ＬＥＤ２の第２の変形例として、図６に示すＬＥＤ２ｂのように、発光素子６を小形状の透明シリコン樹脂８ｓで封止した後に、透明エポキシ樹脂８で封止してもよい。この場合、発光素子６を、一旦小形状の透明シリコン樹脂８ｓで封止するので、残留応力をより緩和させることができ、寿命を長くさせることが可能となる。また、透明シリコン樹脂８ｓに、蛍光体を混入させても良く、透明シリコン樹脂８ｓ以外の透光性材料を用いても良い。
【００５１】
次に、ＬＥＤ２の第３の変形例として、図７に示すように、ＬＥＤ２ｃにおいて、一対のリードフレーム１２ｂ，１２ｃを発光素子６の周辺のみ凹ませて反射面とする。但し、一対のリードフレーム１２ｂ，１２ｃの平面形状は、図５に示したリードフレーム１２２ａ，１２２ｂと同様であるとする。
【００５２】
これによって、ＬＥＤ２の基本形においては、発光素子６の直上方向にのみ光が放射されていたのに対して、ＬＥＤ２ｃにおいては、発光素子６の周囲からも上方に光が放射されるようになり、より全体が発光しているように見え、見栄えが向上するという効果が得られる。
【００５３】
次に、ＬＥＤ２の第４の変形例として、図８に示すように、ＬＥＤ２ｄにおいて、一対のリードフレーム１３ａ，１３ｂにハーフエッチングやスタンピングパターンにより、図示するような鋸歯状のパターンを設けることによって、発光素子６から斜め下方に放射される光を反射して上方に光を放射するようにしても良い。但し、一対のリードフレーム１３ａ，１３ｂの平面形状は、図５に示したリードフレーム１２２ａ，１２２ｂと同様であるとする。
【００５４】
このようにリードフレーム１３ａ，１３ｂに複数の同心円反射鏡を形成することにより、上記第３の変形例と同様に、より全体が発光しているように見せることができ、見栄え向上を図ることができる。なお、この場合には、透明エポキシ樹脂８とリードフレーム１３ａ，１３ｂとの接着面積が増し、接着形状を平面形状でなくすることによる剥離不良低減の効果もある。特に、発熱の大きい大電流タイプの場合に有効である。
【００５５】
次に、ＬＥＤ２の第５の変形例として、図９に示すように、ＬＥＤ２ｅにおいて、透明エポキシ樹脂８による封止部分の側面形状を変更しても良い。基本例の側面放射面１０は、発光素子６を中心とする球面形状の一部であり、発光素子６から出た光は側面放射面１０に略垂直に入射してそのまま直進するようになっていた。この第５の変形例においては、側面１４は発光素子６を一方の焦点とする楕円体表面の一部を成しており、発光素子６から出た光は側面１４において直進方向に対してやや下方に屈折する。
【００５６】
次に、ＬＥＤ２の第６の変形例として、図１０に示すように、ＬＥＤ２ｆにおいて、反射面９ｂにおける側方への反射を、透明エポキシ樹脂８と空気の境界面における全反射によらず、上面９ｃにメッキ、蒸着等を施した金属反射膜１５を付着させても良い。この場合には、発光素子６の真上を平坦にしてしまうと真上に放射される光は外部放射されなくなるので、上面９ｃの中心部分まで全て発光素子６を焦点とする放物線の一部をＺ軸周りに回転させた形状とする必要がある。
【００５７】
次に、ＬＥＤ２の第７の変形例として、図１１に示すように、ＬＥＤ２ｇを、基本形の反射鏡９よりも直径を小さくして形成した概略円柱形状の反射鏡９ｄの外周に、別体の環状反射鏡９ｅを形成して、反射鏡９ｆを形成した。この反射鏡９ｆを形成する場合、例えば第１の樹脂封止用金型に、前述したように発光素子６が実装され、且つワイヤボンディングされた一対のリードフレーム５ａ，５ｂ（またはリードフレーム１２２ａ，１２２ｂ）をセットし、透明エポキシ樹脂８ａを流し込んで硬化する。この硬化によって形成された反射鏡９ｄを第２の樹脂封止用金型にセットし、透明エポキシ樹脂８ｂを流し込んで硬化することによって環状反射鏡９ｅを形成する。なお、予め個々に作製した概略円柱形状の反射鏡９ｄに、環状反射鏡９ｅを嵌め込んで形成しても良い。
【００５８】
このように形成された反射鏡９ｆの外形は、基本形９と同様である。従って、環状反射鏡９ｅの外側面は、基本形９と同様に発光素子６を中心とする球面の一部を成す形状となっている。また、概略円柱形状の反射鏡９ｄと環状反射鏡９ｅとの境界は、この例では図示するように垂直としたが、基本形９と同じく発光素子６を中心とする球面の一部を成す形状としても良い。
【００５９】
このようなＬＥＤ２ｇによれば、発光素子６、ボンディングワイヤ７および一対のリードフレーム５ａ，５ｂを封止する透明エポキシ樹脂を、第１と第２の透明エポキシ樹脂８ａ，８ｂに分離したので、各々の樹脂８ａ，８ｂの体積が基本形の透明エポキシ樹脂８よりも小さくなり、各々の残留応力を小さくすることができる。つまり、発光素子６並びに発光素子６からリードフレーム５ａを介して各々の透明エポキシ樹脂８ａ，８ｂに熱が伝導しても、各々の残留応力は小さく個別のものなので、熱により触発される残留応力による熱膨張を小さくすることができる。従って、熱膨張によって、発光素子６並びにリードフレーム５ａと透明エポキシ樹脂８ａとの境界でクラックが生じるといったことを防止することができる。
【００６０】
さらに、図７〜図１０に示したＬＥＤ２ｃ〜２ｆに、第７の変形例で説明した透明エポキシ樹脂を分割して反射鏡を形成する構成を採用しても、同様にクラックの発生を防止することができる。
【００６１】
（第２の実施の形態）
図１２は、本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤを用いたＬＥＤライトの全体構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ｂ）のＰ部分の拡大図である。
【００６２】
図１２に示すように、ＬＥＤライト１は、円盤形状の本体の中心に、図１に示したＬＥＤ２を搭載し、このＬＥＤ２の周囲に同心円の階段状の反射面３ａが形成された反射鏡３で囲んだ構造を成している。以降、ＬＥＤ２の反射鏡９を第１の反射鏡９、上記の反射鏡３を第２の反射鏡３と称す。
【００６３】
第２の反射鏡３は、透明アクリル樹脂で成形した後、上面にアルミ蒸着を施すことによって反射面３ａを形成している。各反射面３ａは、図１２（ｃ）に示すように、Ｘ−Ｙ平面に対して約４５度に傾斜している。
【００６４】
次に、このような構成のＬＥＤ２を用いた応用例であるＬＥＤライト１の発光動作を、図１２を参照して説明する。
【００６５】
第１の実施の形態において図１を参照して説明したように、ＬＥＤ２からＸ−Ｙ平面に略平行に放射された光は、第２の反射鏡３の略４５度の傾斜を有する反射面３ａで略Ｚ軸方向へ反射され、外部へ放射される。
【００６６】
このように、ＬＥＤ２と第２の反射鏡３との組合せによって、大面積で薄型の灯具であるＬＥＤライト１とすることができる。更に、ＬＥＤ２に代え、第１〜第７の変形例のＬＥＤ２ａ〜２ｇの何れかを用いても、同様な効果を奏すことが可能となる。
【００６７】
また、ＬＥＤライト１において、ＬＥＤ２と第２の反射鏡３との関係は、図１３の（ａ）及び（ｂ）に比較例を示すように、ＬＥＤ２が第２の反射鏡３に対して小さい方が概して望ましい。これは、ＬＥＤ２が中央部のみが発光点ｏとして視認され、（ａ）に示す内径の小さい第２の反射鏡３は、ほぼ全体が発光して視認されるが、（ｂ）に示す内径の大きい第２の反射鏡３は、中抜けした発光として視認されることになる。
【００６８】
本ＬＥＤ２は、径を小さくすることができるので、（ａ）に示すような第２の反射鏡３との関係でＬＥＤライト１を構成することができる。従って、ほぼ全体が発光して見えるようにすることが可能となる。
【００６９】
但し、（ｂ）に示す内径の大きい第２の反射鏡３を用いる場合は、図７に示したＬＥＤ２ｃ又は図８に示したＬＥＤ２ｄを用いれば、ほぼ全体が発光して見えるようにすることが可能となる。
【００７０】
この他、ＬＥＤライト１の第１の変形例として、図１４に示すように、反射面９ｂに環状のレンズ９ｈを形成して、発光素子６で発光された光を平坦面９ａ以外に上方へ放射するＬＥＤ２ｈを、（ｂ）の構成に用いても良い。
【００７１】
次に、ＬＥＤライト１の第２の変形例として、図１５に示すＬＥＤライト１ａがある。このＬＥＤライト１ａに用いられているＬＥＤ２ｉがＬＥＤ２と異なる点は、反射面９ｂが発光素子６を焦点としない放物線の一部を中心軸Ｚの周りに回転させた円状の反射形状を成す。これによって、ＬＥＤ２では発光素子６から出射されて反射される光が、略平行光であったのに対し、ＬＥＤ２ｉでは拡がった光となる。この際にもＬＥＤ２と同様、側面放射面１０から一次光として制御されて外部放射されるので、この結果、図１６に示す配光が得られる。なお、高さｈ１が図１２（ｂ）のｈよりも高い第２の反射鏡３ｃを組み合わせて構成する必要がある。但し、ＬＥＤ２ｉにおいては、側面での全反射または大きな界面反射が生じない範囲で、発光素子６に対する反射面の大きさを小さくしてもかまわない。
【００７２】
なお、図２１に側面放射面１０への入射角に対する透過度を示す。臨界角：θｃである４０°余りで全反射となり透過度は０％となるが、θｃ−５°以上でも全反射とはならないものの、界面反射影響が大きい。このため、側面放射面１０への入射角はθｃ−５°がさらに望ましい。
【００７３】
このようなＬＥＤライト１ａにおいては、ＬＥＤ２ｈから光が、効率よく水平方向並びに斜め上方へも放射され、この放射光が第２の反射鏡３ｃの反射面３ａで反射されるので、ＬＥＤライト１ａを奥行き感のある灯具とすることができる。この際にも、９０°−θｃとすることで、迷光ロスの無い有効な外部放射を考慮した。
【００７４】
次に、ＬＥＤライト１の第３の変形例として、図１７の（ａ）〜（ｄ）に示すように、ＬＥＤライト１ｂの第２の反射鏡３ａを、上記図１に示した基本例の第２の反射鏡３のように全体を略均一に光らせるのではなく、発光点を点在させることもできる。即ち、図１７（ａ）に示すように、円形の第２の反射鏡３ｄを扇形に分割して、図１７（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、ＬＥＤ２（又はＬＥＤ２ｂ〜２ｆの何れか）から反射面２３ａまでの距離を何種類かに分ける。これによって、上方から見たときに反射光の放射される位置が円の中で散らばり、きらきらと光り美しく見えるという効果がある。なお、この第３の変形例においては、各扇形において、それぞれ一段の反射面２３ａでＬＥＤ２からの光を全て反射しなければならないので、図１７（ｂ）〜（ｄ）に示す各反射面２３ａの高さは、同図（ｂ）に示すように基本例である円形階段形反射鏡３の全体の高さｈと同じ高さにする必要がある。
【００７５】
次に、ＬＥＤライト１の第４の変形例として、図１８の（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＬＥＤライト１ｃの第２の反射鏡３ｅを、扇形に分割してそれぞれ長さを変えることによって、第２の反射鏡３ｅの形状を、多角形の１つとしての正方形に近づけることができる。即ち、図１８（ｂ），（ｃ）に示すように、最も短い扇形においては、反射面２６ａから次の反射面２６ａまでの長さをＬとすると、その扇形から４５度ずれた最も長い扇形においては、反射面２６ａから次の反射面２６ａまでの長さを√２Ｌとする。これによって、図１８（ａ）に示すように、概略正方形状の第２の反射鏡３ｅを形成することができる。
【００７６】
例えば、基本形のＬＥＤライト１の応用として、図１９に示すように、図１２に示した円形のＬＥＤライト１を正方形またはその一部に切断して、断片１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆの６個を作製し、これらを図のように組み合わせて所定エリアをカバーする複数の発光素子を有する一体型のＬＥＤライト１１とすることができる。
【００７７】
このように、複数の正方形のＬＥＤライト１１ａ，…を連結する場合でも、図１８に示したＬＥＤライト１ｃを用いれば、円形のＬＥＤライト１ｃを正方形にカットする必要がないので、外部放射効率の低下がなく、より明るい連結型ライトとなる。また、概略円柱形状のＬＥＤ２，２ａ〜２ｉの代わりに略正方形のＬＥＤを光源として用いた場合、ＬＥＤの各側面から反射鏡２６までの距離が全周に亘ってほぼ等しくなるという利点もある。
【００７８】
このような利点を有するＬＥＤライト１ｃを用いて、例えば図２０に示すような自動車のテールライトやブレーキライト等に適用できる車両用の灯具１１０を形成すれば、より明るい灯具を形成することができる。灯具１１０は、内部が空洞となったカバー１１１の中に、矢印Ｙ１で指示する方向の正面位置が各々異なる３段２列の階段状の台座１１２を形成し、この台座１１２の正面にＬＥＤライト１ｂを固定し、カバー１１１の内壁１１１ａと、台座１１２の上面１１２ｂおよび側面１１２ｃにアルミメッキを施して形成されている。
【００７９】
即ち、カバー１１１の内面全てが光を効率よく反射するので、ＬＥＤライト１ｃから半球全ての方向に放射される光が効率よく反射され、より明るい灯具を形成することができる。また、ＬＥＤライト１ｃから放射された光は、カバー１１１の内壁１１１ａの側面や、台座１１２の側面１１２ｃにも反射するので、矢印Ｘ１で指示する横方向からも出射される。従って、自動車のテールライトやブレーキライトに適用すれば、自動車の真後ろだけでなく、横方向からの光の視認性も向上させることができる。
【００８０】
上記第１及び第２の実施の形態においては、発光素子等を封止する光透過性材料として透明エポキシ樹脂を主に用いているが、その他の光透過性材料でも構わない。また、第２の反射鏡としての、または第１の反射鏡と第２の反射鏡を兼ねる光学体として透明アクリル樹脂を用いているが、その他の透明合成樹脂を始めとして、他の材料を用いることもできる。さらに、ＬＥＤライトのその他の部分の構成、形状、数量、材質、大きさ、接続関係等についても、上記実施の形態に限定されるものではない。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、リードフレームに実装された発光素子を透光性材料で封止し、この封止手段に発光素子の発光面と対向する位置に配置され、発光素子から発光された光を側面放射面へ反射する反射面を形成した発光ダイオードにあって、反射面は、発光素子に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有し、側面放射面は、反射面で反射された光と、発光素子から発光された光とがθｃ以内で入射される形状を成すようにした。
【００８２】
従って、反射面で反射されて略平行に進む光は、側面放射面をほぼそのまま略平行に進んで発光素子の中心軸周り３６０度の方向に略平面状に外部放射され、さらに、発光素子から側面放射面に直接向かった光は側面放射面で屈折することなくそのままの向きで外部放射される。従って、中心軸に対して小さな角度範囲に放射される光はなく、側面放射面から一次光として制御されて外部放射される光の放射効率を、大幅に向上させることができる。
【００８３】
また、ＬＥＤライトにおいても、上記の発光ダイオードを備え、この発光ダイオードから放射される光を反射する反射鏡を備えたので、発光ダイオードの側面放射面から一次光として制御されて外部放射される放射効率の高い光を、反射鏡で反射させるので、この反射による放射効率を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ（発光ダイオード）の構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】実施の形態１に係るＬＥＤに用いられる発光素子の構成を示す断面図である。
【図３】リードフレームを水平方向に引き出した場合のＬＥＤの断面図である。
【図４】実施の形態１に係るＬＥＤの配光特性を示す図である。
【図５】実施の形態１に係るＬＥＤの第１の変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図である。
【図６】実施の形態１に係るＬＥＤの第２の変形例を示す断面図である。
【図７】実施の形態１に係るＬＥＤの第３の変形例を示す断面図である。
【図８】実施の形態１に係るＬＥＤの第４の変形例を示す断面図である。
【図９】実施の形態１に係るＬＥＤの第５の変形例を示す説明図である。
【図１０】実施の形態１に係るＬＥＤの第６の変形例を示す部分拡大図である。
【図１１】実施の形態１に係るＬＥＤの第７の変形例を示す断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤを用いたＬＥＤライトの全体構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ｂ）のＰ部分の拡大図である。
【図１３】第２の実施の形態に係るＬＥＤを用いたＬＥＤライトにおいて、ＬＥＤと第２の反射鏡とのサイズの関係を示す図であり、（ａ）は小径のＬＥＤを用いた様子を示し、（ｂ）は大径のＬＥＤを用いた様子を示す図である。
【図１４】第２の実施の形態に係るＬＥＤライトの第１の変形例に用いられるＬＥＤのを示す断面図である。
【図１５】第２の実施の形態に係るＬＥＤライトの第２の変形例を示す断面図である。
【図１６】上記第２の変形例のＬＥＤライトに用いられるＬＥＤの配光特性を示す図である。
【図１７】第２の実施の形態に係るＬＥＤライトの第３の変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
【図１８】第２の実施の形態に係るＬＥＤライトの第４の変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図、（ｃ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。
【図１９】第２の実施の形態に係るＬＥＤライトの周囲を矩形にカットし、複数個を合わせて一定範囲をカバーするようにした構造を示す平面図である。
【図２０】ＬＥＤライトの第３の変形例によるＬＥＤライトを複数組み合わせて形成した車両用の灯具の構造を示す斜視図である。
【図２１】ＬＥＤの入射角と透過率との関係図である。
【図２２】標準的な発光素子（２０ｍｉｌ及び１４ｍｉｌの場合）の光度分布、光束分布、光束積算の特性図である。
【図２３】従来のＬＥＤの構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ ＬＥＤライト
２，２ａ〜２ｉ，２００ ＬＥＤ（発光ダイオード）
３，３ａ，３ｃ，２３，２６ 第２の反射鏡
５ａ，５ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１２０ａ，１２０ｂ，１２２ａ，１２２ｂ，２０５ａ，２０５ｂ リードフレーム
６，２０６ 発光素子
７，２０７ ボンディングワイヤ
８，８ａ，８ｂ，２０８ 透明エポキシ樹脂（光透過性材料）
８ｓ 透明シリコン樹脂
９，９ｆ，２０９ 第１の反射鏡
９ａ 平坦面
９ｂ，２１０ 反射面
９ｃ 上面
９ｄ 概略円柱形状の反射鏡
９ｅ 環状反射鏡
９ｈ 環状レンズ
１０ 側面放射面
１２ｂ，１２ｃ，１３ａ，１３ｂ 第３の反射鏡
１５ 金属面
１０１ Ｎ型ＧａＰ基板
１０２ Ｎ型ＡｌＩｎＧａＰクラッド層
１０３ 発光する層を有する層
１０４ Ｐ型ＡｌＩｎＧａＰクラッド層
１０５ Ｐ型ＧａＰウインドウ
１０６ ＡｕＺｎコンタクト
１０７ Ａｌボンディングパッド（正電極）
１０８ Ａｕ合金電極（負電極）
１１０ 車両用の灯具
１１１ カバー
１１１ａ カバーの内壁
１１２ 台座
１１２ｂ 台座の上面
１１２ｃ 台座の側面
Claims (9)
- 電源供給手段に実装された発光素子を透光性材料の封止部材で封止し、前記発光素子の発光面に対し放射光を受けて反射する反射面と、前記反射面からの反射光と前記発光素子からの直接光を放射する側面放射面とを前記封止部材に形成して構成された発光ダイオードにおいて、
前記反射面は、前記発光素子に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有し、
前記側面放射面は、前記反射面で反射された反射光の入射角及び前記発光素子から放射された直接光の入射角が前記θｃより小なる角度を有して形成され、前記発光素子から発光された光を入射して外部へ放射する
ことを特徴とする発光ダイオード。 - 前記反射面は、前記発光素子の中心軸（Ｚ軸）に対し直交するＸ軸でなす平面においてＺ＝ｆ（Ｘ）の一部の線分を前記発光素子の中心軸回りに回転させた形状であり、前記Ｚ＝ｆ（Ｘ）は｛ｄ２ｆ（Ｘ）／ｄＸ２｝＜０である
ことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。 - 前記反射面は、前記発光素子又は、その周囲を焦点とする楕円、放物線、双曲線の何れか１つの一部を、前記発光素子の中心軸回りに回転させた形状を成す
ことを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード。 - 前記反射面は、前記発光素子の直上に光取出面を有する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の発光ダイオード。 - 前記反射面は、径が１０ｍｍ以下である
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の発光ダイオード。 - 前記側面放射面は、前記発光素子側に傾斜する勾配を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 前記側面放射面は、前記発光素子を中心とする球面の一部を成す
ことを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。 - 前記リードフレームは、熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・ｋ以上の導電性材料で形成され、前記封止手段の下面から引き出されている
ことを特徴とする請求項１から請求項７に記載の発光ダイオード。 - 電源供給手段に実装された発光素子を透光性材料の封止部材で封止し、前記発光素子の発光面に対し放射光を受けて反射する反射面と、前記反射面からの反射光と前記発光素子からの直接光を放射する側面放射面とを前記封止部材に形成して構成され、前記反射面が、前記発光素子に対し、２π｛１−ｃｏｓθｃ（θｃ：前記透光性材料の臨界角）｝以上の立体角を有し、前記側面放射面が、前記反射面で反射された反射光の入射角及び前記発光素子から放射された直接光の入射角が前記θｃより小なる角度を有して形成され、前記発光素子から発光された光を入射して外部へ放射する発光ダイオードと、
前記発光ダイオードから放射される光を反射する反射鏡と
を備えたことを特徴とするＬＥＤライト。
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-
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