JP2011210674A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を損なうことなく、光源を導光板の穴部に収容させることのできる発光装置を提供する。
【解決手段】素子実装基板３３にフリップチップ接続により実装されたＬＥＤ素子３２と、素子実装基板３３上でＬＥＤ素子３２を封止する封止部３４と、を有する光源３と、光源３が収容される穴部２１を有する導光板２と、を備えた発光装置１において、穴部２１を導光板２の他面２２側にて塞ぎ、光源３から発せられる光の少なくとも一部を反射する反射面２６ａを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、フリップチップ接続により実装されたＬＥＤ素子を有する光源の光を導光板へ入射させる発光装置に関する。

導光板を用いた発光装置として、導光板の少なくとも１側面部近傍の裏面部に側面部と平行に円柱の穴状または凹状の入射部を複数列設したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この発光装置は、入射部が導光板の厚さ方向に形成されており、側方へ光を放射する平面放射型の光源を用いている。具体的に、光源は、上部に同心の傾斜面部を内側面と外側面に有し、内側面の傾斜面部で半導体発光素子からの光を全反射し、外側面の傾斜面部で臨界角を破り、四方に放射状に出射している。

さらに、導光板を用いた発光装置として、回路基板上に配置された複数のＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源からの光を入射面から入射し照明光として出射面に導く導光板とを有する照明装置において、導光板は上部導光板と下部導光板により構成され、下部導光板は各ＬＥＤ光源からの出射光を導光板内部に導くための凹部を有し、ＬＥＤ光源が凹部の開口面近傍に配置されたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。また、導光板を用いずに、ＬＥＤ光源を収容する偏光素子を用いる発光装置も知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−２７６４９１号公報 特開２００７−１６５０６４号公報 特開２００５−４４６６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発光装置では、光源として平面的に光を出射するものを選択する必要があり、光源のサイズが大きくなる。また、光源のサイズに対応した貫通孔を導光板に形成すると、導光板内での伝搬光に悪影響を及ぼすおそれがある。さらに、光源のサイズが大きいため部材使用量が多く、コスト高な光源となる。
また、特許文献２に記載の発光装置では、導光板に凹部を形成することが開示されているが、単に凹部に光源を収容するのみでは、光源の光を高効率で導光板の伝搬光とすることができない。さらに、特許文献３に記載の発光装置では、導光板を用いていないので、複数の光源からの光を広く分散できないし、各光源の明るさや色度ばらつきの影響が生じるため、均一な輝度特性を得にくい。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光効率を損なうことなく、光源を導光板の穴部に収容させることのできる発光装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、素子実装基板と、前記素子実装基板にフリップチップ接続により実装されたＬＥＤ素子と、前記素子実装基板上で前記ＬＥＤ素子を封止する封止部と、を有する光源と、前記光源が収容される穴部を有し、前記穴部の側方の内面が入射面となる導光板と、を備え、前記穴部は、前記導光板の一面から他面側へ延び、前記入射面が前記導光板の厚さ方向に対して略平行であり、前記穴部を前記導光板の他面側にて光学的に塞ぎ、前記光源から発せられる光の少なくとも一部を反射する反射面を有する発光装置が提供される。

また、上記発光装置において、前記導光板の前記一面に対する前記穴部の前記内面の角度をαとし、前記導光板の屈折率をｎとしたとき、
９０°−Ｓｉｎ^−１[｛ｓｉｎ（９０°−α）｝／ｎ]＋α≧Ｓｉｎ^−１（１／ｎ）
の式を満たすことが好ましい。

また、上記発光装置において、前記導光板の前記他面に対する前記貫通孔の前記内面の角度をαとし、前記導光板の屈折率をｎとしたとき、
α≦９０°−２×Ｓｉｎ^−１[ｓｉｎ｛（９０°−α）／ｎ｝]
の式を満たすことが好ましい。

また、上記発光装置において、前記導光板の他面に配置される導光部材を備え、前記反射面は、前記導光部材に形成されてもよい。

また、上記発光装置において、前記穴部は、前記導光板の一面から、前記導光板の厚さ方向の途中まで形成されていてもよい。

また、上記発光装置において、前記導光部材は、透明板あるいは透明シートであってもよい。

また、上記発光装置において、前記穴部は、前記導光板を厚さ方向に貫通していてもよい。

本発明によれば、発光効率を損なうことなく、光源を導光板の穴部に収容させることができる。

図１は本発明の第１の実施形態を示し、（ａ）は発光装置の平面図、（ｂ）は発光装置の断面図である。 図２は発光装置の一部断面図である。 図３において、（ａ）はＬＥＤ素子の平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の模式断面図を示す。 図４は光源の製造時の説明図である。 図５は光源の製造時の説明図である。 図６は光源が連結された中間体の平面図である。 図７は仮に光源のＬＥＤ素子をワイヤボンディング接続とした場合の説明図である。 図８は変形例を示す発光装置の一部断面図である。 図９は変形例を示す発光装置の一部断面図である。 図１０は変形例を示す発光装置の平面図である。 図１１は変形例を示す発光装置の平面図である。 図１２は変形例を示す発光装置の平面図である。 図１３は導光板の屈折率ｎごとに、式（１）及び式（２）を満たすαを示した表である。 図１４は本発明の第２の実施形態を示す発光装置の一部断面図である。 図１５は発光装置の平面図である。 図１６は変形例を示す発光装置の一部断面図である。 図１７は変形例を示す発光装置の一部断面図である。 図１８は変形例を示す発光装置の一部断面図である。 図１９は変形例を示す発光装置の一部断面図である。 図２０は本発明の第３の実施形態を示し、（ａ）は発光装置の平面図、（ｂ）は発光装置の横断面図である。 図２１は発光装置の縦断面図である。 図２２は変形例を示す発光装置の縦断面図であって、（ａ）は導光板が分離形成されたもの、（ｂ）は導光板が一体形成されたものを示す。 図２３は変形例を示す発光装置の縦断面図であって、（ａ）は閉塞部の反射面が平面状のもの、（ｂ）は閉塞部の反射面が曲面状のものを示す。 図２４は変形例を示す発光装置の一部平面図である。 図２５は変形例を示す発光装置の縦断面図である。

図１から図６は本発明の第１の実施形態を示し、図１（ａ）は発光装置の平面図、（ｂ）は発光装置の断面図である。

図１（ａ）に示すように、この発光装置１は、導光板２と、導光板２に形成される複数の穴部２１と、穴部２１に収容される光源３と、光源３と電気的に接続される搭載基板４と、を備えている。導光板２は、光源３から発せられる光に対して透明な材料からなり、穴部２１内の光源３から発せられた光が入射する。本実施形態においては、導光板２は、全体にわたって厚さが一定な平板状に形成される。導光板２の材質は、光源３の光に対して透明であれば任意であるが、例えばアクリル樹脂とすることができる。ここで、本明細書においては、導光板２の一面を下面２３とし、他面を上面２２として説明する。下面２３には、白色塗料や表面の粗面化、プリズム形成などによって、散乱面を形成してある。

穴部２１は、内面２４のうち光源３から光が入射する範囲となる導光板２の入射面につき、導光板２の下面２３に対する角度α（図２参照）が９０°未満であり、内面２４が下面２３に対して傾斜しているものの、厚さ方向に対して略平行となっている。本実施形態においては、穴部２１は、平面視にて円形状を呈し、下方へ向かって僅かに拡開している。後述するように、光源３からは上方及び側方へ光が出射され、穴部２１の内面２４の全範囲に光源３の光が入射する。本実施形態においては、複数の穴部２１が、導光板１に平面視にて規則的に形成されている。具体的に、各穴部２１は、縦方向及び横方向に等間隔で面状発光装置１の全面に格子点状に並んでいる。

図２は、発光装置の一部断面図である。
図２に示すように、穴部２１は下面２３から上面２２へ向かって、導光板２の厚さ方向の途中まで形成されている。光源３の上方に位置する穴部２１の閉塞面２５は、導光板２の上面２２及び下面２３と平行であり、平坦に形成される。閉塞面２５の表面には、光源３から発せられる光を反射するための白色反射層２６が形成される。白色反射層２６の光源３側の表面が、穴部２１内の光を反射する平面状の第１反射面２６ａをなす。また、白色反射層２６の上面２２側の表面が、導光板２内を伝搬する光を反射する第２反射面２６ｂをなす。

本実施形態においては、第１反射層２６と光源３との距離Ｓｈは、光源３の光軸３ａ及び第１反射面２６ａの交点と、内面２４における光源３の上端高さ位置と、を結ぶ線分について、第１反射面２６ａで散乱反射した光のうち、立体角において半分以上の方向が直接内面２４へ至る方向となるように、光軸３ａとなす角βが６０°以内となるよう設定されている。また、距離Ｓｈは、光軸３ａ及び光源３の上面の交点と、内面２４における第１反射面２６ａの高さ位置と、を結ぶ線分について、光軸３ａとなす角γも６０°以内となるよう設定されている。

図２に示すように、光源３は、フリップチップ型のＧａＮ系半導体材料からなるＬＥＤ素子３２と、ＬＥＤ素子３２を搭載する素子実装基板３３と、ＬＥＤ素子３２を封止するとともに素子実装基板３３と接着される無機封止部としてのガラス封止部３４とを有する。また、素子実装基板３３には、ＬＥＤ素子３２と搭載基板４とを電気的に接続する回路パターン３５が形成される。回路パターン３５は、素子実装基板３３の表面に形成される表面パターンと、素子実装基板３３の裏面に形成される裏面パターンと、表面パターン及び裏面パターンを接続するビアパターンと、を有している。素子実装基板３３は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の多結晶焼結材料からなり、厚さ２５０μｍで１０００μｍ角に形成されている。また、ＬＥＤ素子３２は、厚さ１００μｍで３４６μｍ角に形成されている。すなわち、ＬＥＤ素子３２の側端からガラス封止部３４の側面３４ｂまでの距離は３２７μｍ、ＬＥＤ素子３２の上端からガラス封止部３４の上面３４ａまでの距離は５００μｍとなっている。

図３において、（ａ）はＬＥＤ素子の平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の模式断面図を示す。
発光素子としてのＬＥＤ素子３２は、図３（ａ）に示すように、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる支持基板６０の表面に、III族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることにより、バッファ層６１と、ｎ型層６２と、ＭＱＷ層６３と、ｐ型層６４とがこの順で形成されている。このＬＥＤ素子３２は、７００℃以上でエピタキシャル成長され、その耐熱温度は６００℃以上であり、後述する低融点のガラスを用いた封止加工における加工温度に対して安定である。また、ＬＥＤ素子３２は、ｐ型層６４の表面に設けられるｐ側電極６５と、ｐ側電極６５上に形成されるｐ側パッド電極６６と、を有するとともに、ｐ型層６４からｎ型層６２にわたって一部をエッチングすることにより露出したｎ型層６２に形成されるｎ側電極６７を有する。

ｐ側電極６５は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide ）などの透明導電性の酸化物からなり、発光層としてのＭＱＷ層６３から発せられる光を支持基板６０の方向に反射する光反射層として機能する。また、ｎ側電極６７は、例えばＮｉ／Ａｕ、Ａｌ等の金属からなり、平面視にてＬＥＤ素子３２における１つの隅部に形成される。本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、ｐ側電極６５は、ｎ側電極６７の形成領域を除いて、平面視にて、ＬＥＤ素子３２のほぼ全面に形成されている。また、ｐ側パッド電極６６は、例えばＮｉ／Ａｕからなり、平面視にてＬＥＤ素子３２におけるｎ側電極６７と対向する隅部に形成される。ｎ側電極６７及びｐ側パッド電極６６は、平面視にて円形に形成される。

ガラス封止部３４は、ＬＥＤ素子３２とともに素子実装基板３３におけるＬＥＤ素子３２の搭載面側を覆い、厚さが０．６ｍｍとなっている。素子実装基板３３と平行な上面３４ａと、上面３４ａの外縁から下方へ延び素子実装基板３と垂直な側面３４ｂと、を有している。ガラス封止部３４は、例えばＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系のガラスとすることができ、この場合の屈折率は１．７である。また、このガラスは、加熱によって素子実装基板３３に融着された熱融着ガラスであり、ゾルゲル反応を利用して形成されたガラスと異なっている。尚、ガラスの組成及び屈折率はこれらに限定されるものではない。

また、ガラス封止部３４には、ＬＥＤ素子３２から発せられる光の波長を変換する蛍光体３９が含まれている。蛍光体３９として、例えば、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体、珪酸塩蛍光体等を用いることができ、本実施形態では青色のＬＥＤ素子３２と黄色の蛍光体３９から白色光を得ている。尚、青色光を発するＬＥＤ素子と、緑色蛍光体、赤色蛍光体の組合せにより白色光を得るようにしてもよい。また、ガラス封止部３４に蛍光体３９を含有させずに、ガラス封止部３４の表面に蛍光体３９を塗布したものであってもよいし、蛍光体３９を用いなくともよい。

光源３は、ＬＥＤ素子３２に電圧が印加されると、ＬＥＤ素子３２から青色光が発せられる。ＬＥＤ素子３２から発せられた青色光は、一部が蛍光体３９により黄色に変換された後、ガラス封止部３４の上面３４ａ又は側面３４ｂを通じて外部へ放射される。ここで、ＬＥＤ素子３２の側端からガラス封止部３４の側面３４ｂまでの距離と、ＬＥＤ素子３２の上端からガラス封止部３４の上面３４ａまでの距離が異なっているので、上面３４ａから放射される光と側面３４ｂから放射される光とでは色度が異なることとなる。この光源３は、素子実装基板３３に垂直で、上面３４ａの中央を通る軸が光軸３ａとなっている。この光源３では、光軸上の光強度が最大とはならず、光軸に対しておよそ３０°〜４５°傾斜した方向で光強度が最大となる配光特性となる。この光源３は、以下の工程を経て製造される。

まず、ガラス成分の酸化物粉末及び蛍光体粉末を１２００℃に加熱し、溶融状態で撹拌する。そして、ガラスを固化した後、ガラス封止部３４の厚さに対応するようスライスして封止前ガラス３４ｃを板状に加工する。

一方、平板状の素子実装基板３３に回路パターンを形成する。例えば、回路パターン３５は、金属ペーストをスクリーン印刷し、素子実装基板３３を所定温度（例えば１０００℃以上）で熱処理することにより当該金属を素子実装基板３３に焼き付けた後、当該金属に他の金属のめっきを施すことにより形成することができる。この後、複数のＬＥＤ素子３２を縦及び横について等間隔で素子実装基板３３にフリップチップ接続で実装する。尚、素子実装基板３３の回路パターンは、金属ペーストの熱処理で形成したもののみでもよいし、金属スパッタの後に金属めっきを施したものなど、他の方法で形成することもできる。

そして、図４に示すように、各ＬＥＤ素子３２が搭載された素子実装基板３３を下金型９１にセットし、上金型９２を素子実装基板３３の搭載面と対向して配置し、素子実装基板３３と上金型９２の間に各ＬＥＤ素子３２の搭載領域が覆われるように封止前ガラス３４ｃを配置する。この後、図５に示すように、下金型９１及び上金型９２を加圧し、窒素雰囲気中で加熱によって軟化したガラス材のホットプレス加工を行う。このときの加工条件は、ガラスの温度、圧力等に応じて任意に変更することができるが、一例を挙げるとすれば、例えば、ガラスの温度を６００℃とし、ガラスの圧力を２５ｋｇｆ／ｃｍ^２とすることができる。

以上の工程で、複数の発光装置１が縦方向及び横方向に連結された状態の図６に示すような中間体３６が作製される。この後、ガラス封止部３４と一体化された素子実装基板３３をダイシング装置にセットして、ダイシングブレードによって、ガラス封止部３４及び素子実装基板３３を各ＬＥＤ素子３２ごとに分割するようダイシングして光源３が完成する。

図２に示すように、搭載基板４は、アルミニウムをベースとし、導光体２の下面２３に沿って全面に設けられる。本実施形態においては、搭載基板４は、各穴部２１を塞ぐように設けられている。搭載基板４は、アルミニウムからなる基板本体４１と、基板本体４１上に設けられた絶縁層４２と、絶縁層４２上に設けられた回路パターン４３と、回路パターン４３上に設けられた白色レジスト層４４と、を有する。

これによって、光源３が発した熱は搭載基板４によって基板全体に拡がり、熱の局在を防いで外部への放熱を促進することができる。そしてこの際、導光板２に沿った搭載基板４が放熱機能を持ちながら、面状の発光装置１のデザイン性を損なう程度に厚くなる等のような、形状の影響が生じないようにすることができる。また、特許文献１に記載のように、導光板の少なくとも１側面部近傍の裏面部に側面部と平行に円柱の穴状または凹状の入射部を複数列設すると、光源が局在することとなり、十分な放熱対策を行わない場合に、熱の局在により導光板が撓むという問題点がある。これに対し、本実施形態の発光装置１では、光源３が分散配置されていることと、各光源３の熱を面状の搭載基板４に分散し、大きな面積から外部放熱が可能となるので、熱による導光板２の撓みを抑制することができる。

また、高さが０．８５ｍｍの光源３は、はんだ３１を介して搭載基板４に搭載されている。これにより、上下長さが３ｍｍである穴部２１の下端から、０．８５ｍｍの高さで光源３が配置されている。すなわち、光源３の素子実装基板３３側の端部（本実施形態では、素子実装基板３３の裏面）と、導光板２の下面２３とは、導光板２の厚さ方向について同じ高さ位置となっている。これにより、光源３の発光面となるガラス封止部３４の表面は、はんだ３１と素子実装基板３３の分だけ導光板２の下面２３よりも高い位置となるため、蛍光体３９を含有した光源３のガラス封止部３４から散乱放射される場合であっても多くの光が穴部２１の内面２４へ直接入射するようになる。

また、導光板２の下面２３に対する穴部２１の内面２４の角度をαとし、導光板２の屈折率をｎとしたとき、
９０°−Ｓｉｎ^−１[｛ｓｉｎ（９０°−α）｝／ｎ]＋α≧Ｓｉｎ^−１（１／ｎ）…（１）
の式を満たすようにすると、導光板２の厚さ方向へ進む光につき、内面２４から導光板２内へ入射した全ての光が導光板２内の伝搬光となる。本実施形態においては、α＝９０°でありｎ＝１．５であることから、上記式（１）の条件を満たす。
光源３や反射面２６ａからの導光板２の入射面としての内面２４への入射角は、内面２４の垂直方向に対し、６０°以上の角度の光も多く含む。特に内面２４と近接する光源３の側面３４ｂからの光は、内面２４の垂直方向に対して、比較的大きな角度の光が多くなる。そして、式（１）の条件を満たせば、（９０°−α）の角度以下で入射する光を伝搬光とすることができる。

これに加え、
α≦９０°−２×Ｓｉｎ^−１[ｓｉｎ｛（９０°−α）／ｎ｝]…（２）
の式を満たすようにすると、導光板２の内面２４に沿って進む光につき、内面２４から導光板２内へ入射した全ての光が導光板２内の伝搬光となる。本実施形態においては、α＝９０°でありｎ＝１．５であることから、上記式（２）の条件を満たす。
また、光源３や反射面２６ａからだけでなく、搭載基板４の白色レジスト層４４などのからの内面２４の垂直方向に対し、略９０°となる光も存在する。式（２）の条件を満たせば、この光も伝搬光とすることができる。

また、穴部２１の内面２４の、光源３の上面３４ａの中心部に対する穴部２１の内面２４の立体角は、上側半球の２πsteradianに対して約５０％（πsteradian）となっている。そして、側面３４ｂの中心部に対する穴部２１の内面２４の立体角の割合（側面の半球の上側のπsteradianが対象）は、上面３４ａよりも大きくなるので、光源３全体としてみれば、立体角の割合は少なくとも５０％以上であるといえる。また、光源３の上面３４ａの中心部に対する第１反射面２６ａの立体角は、上側半球の２πsteradianに対して約５０％（πsteradian）となっている。そして、第１反射面２６ａの中心部に対する穴部２１の内面２４の立体角は、下側半球の２πsteradianに対して約５０％（πsteradian）となっている。

以上のように構成された発光装置１によれば、上記（１）及び（２）の式を満たすように、導光板２の他面２３に対する穴部２１の内面２４の角度αと、導光板２の屈折率ｎが設定されているので、穴部２１の内面２４から入射した光の殆どが伝搬光となる。これにより、光源３の光軸３ａが導光板２の厚さ方向となっているにもかかわらず、光源３から上方へ発せられた光を導光板２の面内方向となるよう制御する特殊な光学的制御部を光源３にも導光板２に用いることなく、導光板２内に的確に光を入射し導光板２の伝搬光とすることができるという、技術常識に反した作用効果を得ることができる。従って、光学的制御部を省略して部品点数を削減することができるし、発光装置１を簡単容易に製造することができる。また、光源３から発せられる光の少なくとも約７５％以上は、導光板２の内面２４へ入射するので、光源３から発せられる光を無駄なく利用することができる。

このように、光源３から発せられた光の大半は直接的に内面２４から導光板２内へ入射する。これに加え、穴部２１が白色反射層２６の第１反射面２６ａで塞がれているので、光源３から第１反射面２６ａへ入射した光についても散乱反射させ、間接的に内面２４へ入射させることができ、光源３からの光取り出し効率が良い。

さらに、導光板２内を伝搬する光のうち、白色反射層２６の第２反射面２６ｂへ到達したものは、第２反射面２６ｂにて散乱反射する。これにより、導光板２における穴部２１の上方だけ外部へ放射される光量が低下することがなく、また、光源３からの直接光が穴部２１から外部放射されて穴部２１の正面輝度が著しく高いものとなることはない。従って、穴部２１の形状が比較的小さくそもそも目立ちにくいことと相俟って、穴部２１を形成したにもかかわらず均一な面状発光を実現することができる。

このように、小型で使用する部材量が少なくて済み、複数のＬＥＤ素子３２を一括封止した後、分割するため生産性が良い。ここで、光軸３ａに沿った複数の平面状の側面３４ｂでＬＥＤ素子３２が囲まれ、直方体形状となっている光源３を用い、光源３の光軸３ａまわりを導光板２の入射面が取り囲み、かつ、取り囲んだ入射面の光源３の実装側でない側が反射面２６ａによって光学的に塞がれている。そして、導光板２にこの構成の複数の穴部２１を所定の２方向について規則的に形成して、各穴部２１に光源３を配置するという極めて簡単な構成により、導光板２を全体的に白色で発光させることができる。このとき、各光源３が導光板２の全体にわたって均一に配置されることにより、導光板２の均一な発光状態を実現することができる。従って、製造コストを低減しつつ、発光装置１の薄型化及び小型化を図ることができる。また、導光板２の端部のみに光源３を並べるよりも、多くの光源３を用いることができ、熱の局在課題も生じることはなく、必要に応じて、より高輝度の面状の発光装置１とすることができる。

尚、必ずしも光源３の上面３４ａの中心部に対する穴部２１の内面２４における立体角の割合を、上側半球の２πsteradianに対して５０％以上とする必要はないが、光学的効率を優先した設計をする場合には、光源３の光強度が最大となる方向に穴部２１の内面２４が存在するよう７０％以上とすることが望ましい。一方、発光装置１の薄さを重視する場合や、白色反射層２６に光源３からの光で励起する蛍光体を設け、この蛍光体の励起割合を比較的大きくする場合には、光源３と白色反射層２６とが近接するものとしてもよい。
また、例えば、２５℃から８５℃となることで発光効率が５％以上低下するような、温度上昇による効率低下が比較的大きい蛍光体を使用する場合は、蛍光体を光源３側でなく、光源３と離れた導光板２側に設けることで、蛍光体の温度上昇を抑え、発光効率の向上を図ることができる。このような場合でも、導光板２内で混光されるので、色むらが生じるようなことはない。

また、本実施形態によれば、光源３のＬＥＤ３２に対して側面方向へ放射方向を制御する光学面を省き、さらに、ＬＥＤ素子３２をフリップチップ接続により実装したので、光源３の平面視の大きさを小さくすることができ、穴部２１の直径も小さくすることができる。例えば、図７に示すように、ＬＥＤ素子３２がワイヤボンディング接続により実装されている場合、ＬＥＤ素子３２の外側に、ワイヤループのための第１距離ａと、素子実装基板３３とワイヤ６９との接続のための第２距離ｂとが余計に必要となる。第１距離ａは例えば０．３〜０．５ｍｍであり、第２距離ｂは例えば０．２〜０．５ｍｍであることから、ワイヤボンディングの場合は、素子実装基板３３を前記実施形態の１．０ｍｍ角よりも大きいＬＥＤ素子３２の３倍以上にする必要がある。さらに、側面方向へ放射方向を制御する光学面を設ける場合には、素子実装基板３３をＬＥＤ素子３２の１０倍以上とする必要がある。

例えば、素子実装基板３３の対角の長さに対し、穴部２１として対角長さより０．５ｍｍ長い直径とする場合は、素子実装基板３３の大きさが１．０ｍｍ角のときは、穴部２１の直径が１．９ｍｍで面積が２．８ｍｍ^２の円とすることができるのに対し、２．５ｍｍ角となると、穴部２１の直径は４．０ｍｍ、面積は１２．６ｍｍ^２のように大きくする必要がある。尚、フリップチップ接続してワイヤボンディングを不要とすることで対角長さを１．５ｍｍ短くできるが、穴部２１は、目立たないように、短くなった対角長さに対してプラス１．５ｍｍの直径の円の面積以下とすることが望ましい。そして、仮にこのような大きさで発光装置１を作製すると、搭載するＬＥＤ素子３２が同じであっても、光源３と穴部２１とが目立つものとなる。また、光源３の高さが変わらず、平面視の寸法が小さくなると、横方向への配光が相対的に増大する。尚、蛍光体が封止材料に分散されている場合、封止材の高さより平面方向の寸法が小さくなると、上方向と横方向の光の色度の差が顕著となり易いが、仮に色度の差が生じたとしても、導光板２内で混光させることができる。

また、本実施形態によれば、光源３の上面３４ａ及び側面３４ｂに光学的な加工を施す必要がないので光源３の作製も簡単容易である。この発光装置１の場合、むしろ光軸上に最大の光強度が存在しない配光の光源３が好ましく、立方体形状の光源３に加工を施すことなく、しかも単純な穴部２１を形成すればよいので、実用に際して極めて有利である。

尚、前記実施形態においては、ＬＥＤ素子３２をガラスにより封止した光源３を示したが、ＬＥＤ素子３２が素子実装基板３３に対してフリップチップ接続であり、平面視にて封止材の枠部分が存在しない光源３であれば、封止材を変更しても差し支えない。
また、搭載基板４は、アルミニウムをベースとしたものに限らず、マグネシウムや銅など他の金属をベースとしたものであってもよい。また、これらの金属上に絶縁層を設け、その上に回路パターンを形成したものに限らず、回路パターンがポリイミドや液晶ポリマー上に形成されたフレキシブル基板を金属板の上に備えたものであってもよい。
尚、導光板２から光源３の実装面側に漏れる光を防ぐための反射面としては、搭載基板４の白色レジスト層４４のように、搭載基板４上に形成されたものに限らず、別体の白色反射シートなどとしてもよい。但し、導光板２と当該反射面との間には、導光板２の全反射伝搬を妨げないための空気層が必要である。

熱融着ガラス封止ＬＥＤは、高さ方向の形成が容易で、素子実装基板と熱膨張率が同等、かつ、両部材の接合力が大きいので、封止材と素子実装基板の接合面積を小さくすることができる。そして、側面放射面を含む直方体形状としてあるので、側面の合計面積を上面に対して２倍（すなわち半球状の縦横比）以上、好ましくは４倍（すなわち側面が上面面積）以上とすることによって、横方向の配光を広くすることができ望ましい。また、上面を凸形状にして、ガラスから外部への光取り出し効率向上を図ってもよい。尚、例えば、図８に示すように、ＬＥＤ素子３２をシリコン樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂封止部３７で封止してもよい。図８の光源３では、樹脂封止部３７は、素子搭載基板３３上で半球状に形成されている。

また、例えば、図９に示すように、ＬＥＤ素子３２を所定厚さの無機ペースト３８で封止してもよい。無機ペースト３８としては、例えば、ＳｉＯ_２系、Ａｌ_２Ｏ_３系、ＴｉＯ_２系等の材料を用いることができる。

また、光源３は、面状の発光装置１に格子点状に配列されているものに限らず、中央部に密にあるいは疎に配列されたものであってもよい。例えば図１０に示すように、光源３が四角形状の導光板２の四隅に配置されたものであってもよい。また、例えば図１１に示すように、光源３が四角形状の導光板２の外縁側に並んで配置されたものであってもよい。図１１においては、導光板２の一対の長辺の外縁側に光源３が並んでいる。さらに、例えば図１２に示すように、導光板２の中央に光源３を配置してもよい。図１２においては、導光板２は円形に形成されている。このように、導光板２の形状や、光源３の配置状態は適宜変更することができる。

ここで、図１３を参照して、導光板の一面に対する穴部の内面の角度αについて詳述する。
導光板２を射出成形で形成する場合、図２に示すように、穴部２１にテーパー（傾斜）を形成する方が好ましい場合がある。ここで、図１３に、内面２４が９０°よりもどれだけ小さくなれば、上記式（１）及び上記（２）の伝搬の条件を満たすのかを、導光板２の屈折率ｎごとに示す。図１３に示すように、ｎが１．４５以下では式（１）（２）とも２．８°以下であればよい。ｎが１．５０以下では、式（１）については６．７°以下であれば伝搬の条件を満たし、式（２）については６．４°以下であれば伝搬の条件を満たす。ｎが１．５５以下では、式（１）については１０．４°以下であれば伝搬の条件を満たし、式（２）については９．６°以下であれば伝搬の条件を満たす。また、ｎが１．６０以下では、式（１）については１３．９°以下であれば伝搬の条件を満たし、式（２）については１２．６°以下であれば伝搬の条件を満たす。さらに、ｎが１．６５以下では、式（１）については１７．３°以下であれば伝搬の条件を満たし、式（２）については１５．４°以下であれば伝搬の条件を満たす。但し、導光板２表面の平坦性や、導光板２内部の屈折率が厳密に一定ではないことを考慮すると、基本的には内面２４を垂直面として、傾斜角は５°未満とすることが望ましい。
尚、テーパは、下方向に拡がっているものに限らず、上方向に拡がっているものでも、伝搬の条件は同じである。但し、反射面のサイズを小さくするためには、下方向に拡がっているものの方が望ましい。

図１４及び図１５は本発明の第２の実施形態を示し、図１４は発光装置の一部断面図である。第１の実施形態においては、光源３が１つのＬＥＤ素子３２を有するものを示したが、第２の実施形態においては、光源が複数の発光素子を有している。

図１４に示すように、この発光装置１０１は、穴部１２１が導光板２を貫通しており、導光板２の上面２２が透明シート１５０により全面的に被覆されている。透明シート１５０には、各穴部１２１に対応して半透過塗装部１２６が形成されている。すなわち、穴部１２１は、半透過塗装部１２６の光源３側の表面である平面状の反射層１２６ａにより塞がれている。半透過塗装部１２６は、例えばアルミニウム、銀等の金属等の蒸着により形成することができる。

穴部１２１は、内面１２４が導光板２の厚さ方向に対して平行に形成される。すなわち、内面１２４の導光板２の下面２２に対する角度αは９０°である。この発光装置１０１においても、上記式（１）及び（２）を満たすようαが設定されているといえる。

この発光装置１０１は、長方形状の素子実装基板１３３に、一列に整列した複数のＬＥＤ素子３２が搭載された光源１０３を有する。光源１０３の素子搭載基板１３３は、裏面側の中央に放熱パターン１３６を有しており、裏面側の放熱パターン１３６の外側には回路パターン１３５が配置される。また、この光源１０３においても、ガラス封止部１３４は、素子実装基板１３３と平行な上面１３４ａと、上面１３４ａの外縁から下方へ延び素子実装基板１３３と垂直な側面１３４ｂと、を有している。

放熱パターン１３６を備えた光源１０３は、金属をベースとした搭載基板４に実装されるが、放熱パターン１３６に対応した位置の絶縁層４２を省略し、放熱パターン１３６と金属からなる基板本体４１とを直接あるいは共晶材等による金属接合を行うことにより、接合部分の熱抵抗を小さくして熱を搭載基板４全体に伝え易くし、放熱効率を格段に向上させることができる。

図１５は発光装置の平面図である。
図１５に示すように、貫通孔１２１は長尺な光源１０３に対応して長孔状に形成される。本実施形態においては、貫通孔１２１は、両端の半円部と中央側の直線部とにより構成され、光源１０３が貫通孔１２１の中心に配置されている。これにより、円形の孔よりも、穴部１２１の大きさを格段に小さくすることができる。

また、この発光装置１０１によれば、上記（１）及び（２）の式を満たすように、導光板１０２の下面２２に対する穴部２１の内面２４の角度αと、導光板１０２の屈折率ｎが設定されているので、穴部１２１の内面２４から入射した光の殆どが伝搬光となる。従って、光学的制御部を省略して部品点数を削減することができるし、発光装置１０１を簡単容易に製造することができる。

これに加え、穴部１２１が半透過塗装部１２６の反射面１２６ａで塞がれているので、光源１０３から反射面１２６ａへ入射した光の一部を散乱反射させ、間接的に内面２４へ入射させることができ、光源１０３からの光取り出し効率が良い。さらに、光の一部は半透過塗装部１２６を透過し、また、透明シート１５０内で伝搬されている光について半透過塗装部１２６の反射面１２６ａで散乱反射して一部が外部放射する。これにより、導光板１０２における穴部１２１の上方だけ外部へ放射される光量が低下することがなく、また、一方で半透過塗装部１２６がない場合のように正面輝度が高すぎることもない。この結果、穴部１２１を形成したにもかかわらず小サイズで目立たず、仮にわずかな輝度差があってとしても均一な面状発光を実現することができる。

尚、第２の実施形態においては、透明シート１５０の光源１０３側に半透過塗装部１２６を形成したものを示したが、例えば図１６に示すように、光源１０３と反対側に半透過塗装部１２６を形成してもよい。この場合、半導体塗装部１２６の反射面１２６ａは、厳密には透明シート１５０の厚さの分だけ穴部１２１と離隔をしているものの、実質的には穴部１２１の上端を光学的に塞いでいるといえる。また、例えば図１７に示すように、半透過塗装部１２６に代えて白色粒子層２２６を透明シート１５０に形成したものであってもよい。透光部材としての透明シート１５０は、粘着性を有しており、粘着力により白色粒子が層状に透明シート１５０に貼り付けられている。白色粒子層２２６の反射面２２６ａは、粒子による凹凸が形成されているものの、マクロ的には平面状に形成されているといえる。また、例えば図１８に示すように、穴部１２１を塞ぐように、上面２２側に透光部材としての反射シール３２６を貼り付けるようにしてもよい。この場合、反射シール３２６の穴部１２１側の表面が反射面３２６ａをなす。また、面状の発光装置に高さ方向に間隔をおいて拡散板を配置する場合、あるいは厚い拡散板を用いる場合など、反射面が比較的小サイズで目立たないよう使用する場合は、半透過でなく不透過の反射面としてもよいことは勿論である。

また、例えば図１９に示すように、導光板２の上面２２側に全面的に透明板４５０を設けることもできる。透光部材としての透明板４５０は、導光板２と接触する部分は平面的に形成され、穴部１２１を塞ぐ部分は下方へ凸となる湾曲部４５１が形成されている。湾曲部４５１の下面には湾曲形状に沿って半透過塗装部４２６が形成され、穴部１２１は半透過塗装部４２６の光源３側の表面である曲面状の反射層４２６ａにより塞がれている。この場合、光源３から発せられた光は、光源３へ向かって凸の曲面状の反射層４２６ａにて反射されるため、単に平面状に形成された場合よりも、穴部１２１の内面１２４へ向かう光量が多くなる。

また、例えば、前記実施形態の発光装置１を１つの発光ユニットとし、複数の発光ユニットから発光装置を構成することもできる。この場合、例えば、各発光ユニットを、平面状に間隔をおいて配置し、各発光ユニットの導光板の端面間に空気層を形成することができる。そして、この空気層に白色反射板を配置することにより、各発光ユニットごとに導光板の面内の輝度の均一化が図ることができる。このとき、各光源間の縦方向及び横方向の距離は、空気層及び白色反射板を跨ぐ場合であっても、跨がない場合と同じよう設定することが好ましい。

以上のように構成すると、各発光ユニットごとに発光のオン及びオフや、発光の強度を制御することができる。また、導光板の端面に白色反射剤を直接設けずに、空気層に白色反射板を設けることにより、導光板の端面付近の光量が増大することを抑制することができる。すなわち、導光板の端面に直接白色塗装を行った場合、端面で散乱反射が生じる。これにより、導光板から光が外部放射されるため、導光板の端部周辺の輝度が高くなる。一方、導光板の端面と白色反射板との間に空気層がある場合、白色反射板で散乱反射した光は、導光板に再入射する際、導光板の伝搬光となる角度に屈折するので、導光板の端部周辺の輝度が高くなることを防ぐことができる。尚、これは、複数の発光ユニットの場合だけでなく、単一の発光装置１等であっても同様である。

また、白色反射板は、隣接する発光ユニットへ光を至らせず、発光ユニット毎の独立点灯を行うためにも効果がある。尚、白色反射板を全ての発光ユニット間には備えず、複数の発光ユニットからなるグループの端部だけに設けるものとしてもよい。この場合、グループ内では隣接する発光ユニットの導光板へも光が伝わるため、グループ内の各発光ユニット全体での輝度の均一化を図ることができる。

図２０及び図２１は本発明の第３の実施形態を示し、図２０（ａ）は発光装置の平面図、図２０（ｂ）は発光装置の横断面図である。第１及び第２の実施形態においては、複数の穴部２１、１２１が各光源３，１０３ごとに形成されたものを示したが、第３の実施形態においては、１つの穴部を複数の光源で共用している。

図２０（ａ）に示すように、この発光装置５０１は、平板状の導光板５０２と、導光板５０２に形成され直線状の穴部５２１と、穴部５２１に収容される複数の光源１０３と、導光板５０２の外枠部５０５と、を備えている。各光源１０３は、第２の実施形態と同様であるので、ここでは詳述しない。各光源１０３は、長尺方向に一列に並べられている。

図２０（ｂ）に示すように、発光装置５０１は、導光板５０２に穴部５２１を塞ぐ反射シール５２６を備えている。尚、図２０（ａ）については、説明のために反射シール５２６を省略して図示している。本実施形態においては、反射シール５２６の穴部５２１側の表面が反射面５２６ａをなしている。

図２１は、発光装置の縦断面図である。
図２１に示すように、穴部５２１は，導光板５０２の厚さ方向にわたって形成されている。すなわち、本実施形態においては、導光板５０２は、光源１０３を挟んで分離して設けられている。また、穴部５２１の内面５２４と導光板５０２の上面５２２及び下面５２３とは垂直に形成され、上記式（１）及び（２）を満たすように設定されている。

また、外枠部５０５は、導光板５０２を下方及び側方から覆うよう形成される。外枠部５０５と導光板５０２の間には、光源１０３を搭載する搭載基板４が設けられている。

以上のように構成された発光装置５０１によれば、上記（１）及び（２）の式を満たすように、導光板５０２の下面５２２に対する穴部５２１の内面５２４の角度αと、導光板５０２の屈折率ｎが設定されているので、穴部５２１の内面５２４から入射した光の殆どが伝搬光となる。従って、光学的制御部を省略して部品点数を削減することができるし、発光装置５０１を簡単容易に製造することができる。また、導光板５０２を各光源１０３を挟んで分離して穴部５２１が形成されるようにしたので、導光板５０２に穴部５２１のための加工を施す必要がなく、導光板５０２の作製が極めて容易である。

これに加え、穴部５２１が反射シール５２６の反射面５２６ａで塞がれているので、光源１０３から反射面５２６ａへ入射した光の一部を散乱反射させ、間接的に内面５２４へ入射させることができ、光源１０３からの光取り出し効率が良い。

尚、第３の実施形態においては、穴部５２１が導光板５０２の上下にわたって形成されたものを示したが、例えば図２２に示すように、穴部６２１が導光板６０２の下面６２３側から上面６２２まで至らず、厚さ方向の途中まで形成される発光装置６０１としてもよい。図２２（ａ）には、導光板６０２ａ，６０２ｂが分離して形成され、穴部６２１の直上に各導光板６０２ａ，６０２ｂの当接部６０２ｃが設けられたものを示している。穴部６２１の平坦な上面には、反射層６２６が形成され、その表面が反射面６２６ａをなしている。穴部６２１の内面６２４は、導光板６０２ａ，６０２ｂの厚さ方向に対して傾斜しているが、上記式（１）及び（２）を満たすように設定されている。尚、図２２（ｂ）に示すように、導光板６０２ｄを一体に形成してもよいことは勿論である。

さらに、図２３に示すように、透明樹脂からなる導光板７０２ａ，７０２ｂと、導光板７０２ａ，７０２ｂの穴部７２１を塞ぐ閉塞部７２６と、を二色成形により一体的に形成してもよい。尚、導光板７０２ａ，７０２ｂと閉塞部７２６とを、個別に成形してもよいことは勿論である。図２３の発光装置７０１においては、閉塞部７２６は白色の樹脂からなり、穴部７２１に露出した表面が反射面７２６ａをなしている。図２３（ａ）においては、反射面７２６ａが平面状であり、図２３（ｂ）においては、反射面７２６ｂは光源１０３に対して凸の曲面状に形成されている。

また、図２４及び図２５に示すように、材料の異なる導光板８０２ａ，８０２ｂを組み合わせてもよい。図２４の発光装置８０１では、穴部８２１が形成される第１導光板８０２ａと、第１導光板８０２ａの外側に配置される第２導光板８０２ｂと、が別個に形成される。尚、穴部８２１は、各光源１０３ごとに別個に形成されている。図２５に示すように、穴部８２１における光源３の真上には、反射面８２６ａを有する反射層８２６が形成されている。

この発光装置８０１では、第１導光板８０２ａが射出成形により形成され、第２導光板８０２ｂが圧延成形により形成される。これにより、穴部８２１の内面８２４形状など、比較的精度が要求される穴部８２１周りを射出成形の部材とし、平板部分を安価で大量生産が可能な圧延成形とすることにより、導光板８０２ａ，８０２ｂの製造コストを低減することができる。
また、穴部８２１における光源３の真上の反射面８２６ａは、光学特性を優先する場合には、第１及び第２の実施形態のように穴部のみに対応した反射面の形状とすることが望ましいが、隣接する穴部８２１の間を含むように複数の穴部８２１に対応した連続的な形状とすることで、反射面８２６ａの形成を容易なものとして、製造コストを低減することができる。また、導光板８０２ａの光源３実装面側に反射面８２６ａを備える場合には、光学特性の低下もわずかである。

尚、前記各実施形態においては、ＬＥＤ素子３２のｐ側電極６５がＩＴＯからなるものを示したが、例えば、ｐ側電極６５をＡｇ合金により構成してもよい。この場合、素子搭載基板３３へ漏れる光を減じて光源３の光取り出し効率を高めることができる。

さらには、ＬＥＤ素子３２のｐ側電極６５を、ＩＴＯからなるコンタクト電極と、Ａｌからなる表面反射層から形成することもできる。この場合も、素子搭載基板３３へ漏れる光を減じて光源３の光取り出し効率を高めることができる。

さらにまた、支持基板６０をサファイアとしたものを示したが、例えば、ＳｉＣやＧａＮのように導電性基板として電流を拡散するようにしてもよい。また、支持基板６０がＭＱＷ層６３と同じ屈折率で、屈折率が１．７以上のガラスと組み合わせることにより、ＬＥＤ素子３２からの光取り出し効率を向上させることができる。

また、前記各実施形態においては、導光板の両面に特に加工を施していないが、必要に応じて任意の加工を施してもよいことは勿論であり、例えば、導光板の少なくとも一方の面に反射加工を施すこともできる。

また、前記実施形態においては、発光素子としてＬＥＤ素子を用いた発光装置を説明したが、発光素子はＬＥＤ素子に限定されるものではないし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１ 発光装置
２ 導光板
３ 光源
４ 搭載基板
２１ 穴部
２２ 上面
２３ 下面
２４ 内面
２６ 白色反射層
２６ａ 第１反射面
２６ｂ 第２反射面
３２ ＬＥＤ素子
３３ 素子実装基板
３４ ガラス封止部
３４ａ 上面
３４ｂ 側面
３９ 蛍光体
１０１ 発光装置
１０３ 光源
１２１ 穴部
１２６ 半透過塗装部
１２６ａ 反射層
１３３ 素子実装基板
１３４ ガラス封止部
１３４ａ 上面
１３４ｂ 側面
２２６ 白色粒子層
２２６ａ 反射面
３２６ 反射シール
３２６ａ 反射面
４２６ 半透過塗装部
４２６ａ 反射層
５０１ 発光装置
５０２ 導光板
５２１ 穴部
５２２ 上面
５２３ 下面
５２４ 内面
５２６ 反射シール
５２６ａ 反射面
６０１ 発光装置
６０２ａ 導光板
６０２ｂ 導光板
６０２ｄ 導光板
６２１ 穴部
６２２ 上面
６２３ 下面
６２４ 内面
６２６ 反射層
６２６ａ 反射面
７０１ 発光装置
７０２ａ 導光板
７０２ｂ 導光板
７２１ 穴部
７２４ 内面
７２６ 閉塞部
７２６ａ 反射面
７２６ｂ 反射面
８０１ 発光装置
８０２ａ 第１導光板
８０２ｂ 第２導光板
８２１ 穴部
８２４ 内面
８２６ 反射層
８２６ａ 反射面

Claims (7)

1. 素子実装基板と、前記素子実装基板にフリップチップ接続により実装されたＬＥＤ素子と、前記素子実装基板上で前記ＬＥＤ素子を封止する封止部と、を有する光源と、
   前記光源が収容される穴部を有し、前記穴部の側方の内面が入射面となる導光板と、を備え、
   前記穴部は、前記導光板の一面から他面側へ延び、前記入射面が前記導光板の厚さ方向に対して略平行であり、
   前記穴部を前記導光板の他面側にて光学的に塞ぎ、前記光源から発せられる光の少なくとも一部を反射する反射面を有する発光装置。
2. 前記導光板の前記一面に対する前記穴部の前記内面の角度をαとし、前記導光板の屈折率をｎとしたとき、
   ９０°−Ｓｉｎ^−１[｛ｓｉｎ（９０°−α）｝／ｎ]＋α≧Ｓｉｎ^−１（１／ｎ）
   の式を満たす請求項１に記載の発光装置。
3. 前記導光板の前記他面に対する前記貫通孔の前記内面の角度をαとし、前記導光板の屈折率をｎとしたとき、
   α≦９０°−２×Ｓｉｎ^−１[ｓｉｎ｛（９０°−α）／ｎ｝]
   の式を満たす請求項２に記載の発光装置。
4. 前記導光板の他面に配置される導光部材を備え、
   前記反射面は、前記導光部材に形成される請求項２または３に記載の発光装置。
5. 前記穴部は、前記導光板の一面から、前記導光板の厚さ方向の途中まで形成されている請求項２または３に記載の発光装置。
6. 前記導光部材は、透明板あるいは透明シートである請求項４に記載の発光装置。
7. 前記穴部は、前記導光板を厚さ方向に貫通している請求項２から４のいずれか１項に記載の発光装置。

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