(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
前記発光素子が発する光を波長変換して出射面から出射する透明な光波長変換部材と、
前記光波長変換部材の出射面に接するよう設けられた、前記光波長変換部材よりも屈折率が低い出射層と、
前記発光素子の出射面および前記光波長変換部材の入射面の双方に接するよう設けられた、前記光波長変換部材よりも屈折率が低い中間部材と、
を備え、
前記出射層は、複数の層が積層されて形成され、
前記複数の層は、出射面に近づくにしたがって各々の層の屈折率が徐々に低くなるよう積層され、
前記中間部材は、前記出射層よりも低い屈折率を有することを特徴とする発光モジュール。
【請求項２】
発光素子と、前記発光素子が発する光を波長変換して出射面から出射する透明な光波長変換部材と、前記光波長変換部材の出射面に接するよう設けられた、前記光波長変換部材よりも屈折率が低い出射層と、前記発光素子の出射面および前記光波長変換部材の入射面の双方に接するよう設けられた、前記光波長変換部材よりも屈折率が低い中間部材と、を有する発光モジュールと、
前記発光モジュールから出射された光を集光する光学部材と、
を備え、
前記出射層は、複数の層が積層されて形成され、
前記複数の層は、出射面に近づくにしたがって各々の層の屈折率が徐々に低くなるよう積層され、
前記中間部材は、前記出射層よりも低い屈折率を有することを特徴とする灯具ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光モジュール、および発光モジュールを備える灯具ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高寿命化や消費電力低減などを目的として、車両前方に光を照射する灯具ユニットなど強い光を照射するための光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子を有する発光モジュールを用いる技術の開発が進められている。しかし、このような用途で用いるためには発光モジュールに高い光度の光を発することが求められることになる。ここで、例えば白色光の取り出し効率を向上させるべく、主として青色光を発光する発光素子と、青色光により励起されて主として黄色光を発光する黄色系蛍光体と、発光素子から青色光を透過させ、黄色系蛍光体からの黄色光以上の波長の光を反射する青色透過黄色系反射手段と、を備える照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
しかし、一般的な粉状の蛍光体を用いて光の波長を変換する場合、光が蛍光体の粒子に当たったときにその光の光度が弱められるため、光の高い利用効率を実現することは難しい。このため、例えば発光層によって放出された光の経路内に配置されたセラミック層を備える構造体が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５９８６４号公報
【特許文献２】特開２００６−５３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、車両に搭載される灯具ユニットの光源としてＬＥＤなどの発光素子を用いるため、このような発光素子の高輝度化、高光度化が重要な課題となっている。このため、発光素子が発した光の利用効率を高めるための新たな技術の開発が強く望まれている。ここで、例えば上述の特許文献２に記載される技術のように蛍光体を含むセラミック層を設けた場合、外部空間との屈折率の違いから出射すべき出射面から出射せずに反射してセラミック層内部を通過し、出射することを望まない面から光が出射する可能性がある。このように、入射する光に対して出射すべき面から出射する光の割合が低くなると、発光素子のさらなる高輝度化または高光度化は困難となる。【０００６】
そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高輝度または高光度の発光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光モジュールは、発光素子と、発光素子が発する光を波長変換して出射面から出射する透明な光波長変換部材と、光波長変換部材の出射面に接するよう設けられた、光波長変換部材よりも屈折率が低い出射層と、発光素子の出射面および光波長変換部材の入射面の双方に接するよう設けられた、光波長変換部材よりも屈折率が低い中間部材と、を備える。中間部材は、出射層よりも低い屈折率を有する。【０００８】
例えば、ある第１の部材と、第１の部材よりも屈折率の低い第２の部材とが互いに接している場合、その屈折率の差が低いほど第１の部材から第２の部材へと光が進みやすい。この態様によれば、まず、発光素子と光波長変換部材との間にこのような中間部材を設けることにより、発光素子の出射面に光波長変換部材の入射面を直接貼り合わせる場合の両者の間の屈折率の差に比べ、部材間の屈折率の差を低減させることができる。このため、発光素子が発した光を光波長変換部材に入射させやすくすることができる。また、中間部材が出射層よりも低い屈折率を有することにより、中間部材よりも出射層へと光波長変換部材から光を進みやすくすることができる。こうして、中間部材と出射層が相俟って発光素子が発する光の取り出し効率を向上させることができる。【０００９】
互いに接する発光素子の出射面および中間部材の入射面の双方には、凹凸が形成されていてもよい。【００１０】
ある部材の内部を進む光は、その部材内部からの出射角度がある出射可能角度を超えると、その部材から出射することができず、外部との境界面で反射して再びその部材の内部に進む。この態様によれば、発光素子の出射面の凸部の内面において光が出射できずに反射された場合においても、その光が凸部の別の内面に向けて進む可能性を高めることができる。こうして凸部の別の内面に向けて反射された光は、今度は出射可能角度の範囲内で中間部材に出射し得る。このため、このような凹凸が形成されていない場合に比べ、発光素子から中間部材に入射する光を増やすことが可能となり、発光モジュールの輝度または光度を高めることが可能となる。【００１１】
互いに接する光波長変換部材の入射面および中間部材の出射面の双方には、凹凸が形成されていてもよい。【００１２】
この態様によれば、中間部材の出射面の凸部の内面において光が出射できずに反射された場合においても、その光が凸部の別の内面に向けて進む可能性を高めることができる。こうして凸部の別の内面に向けて反射された光は、今度は出射可能角度の範囲内で光波長変換部材に出射し得る。このため、このような凹凸が形成されていない場合に比べ、中間部材から光波長変換部材に入射する光を増やすことが可能となり、発光モジュールの輝度または光度を高めることが可能となる。【００１３】
出射層は、光波長変換部材の出射面と入射面との間の側端面にさらに設けられてもよい。【００１４】
出射層は、複数の層が積層されて形成されてもよい。複数の層は、出射面に近づくしたがって各々の層の屈折率が徐々に低くなるよう積層されてもよい。【００１５】
本発明の別の態様は、灯具ユニットである。この灯具ユニットは、発光素子と、発光素子が発する光を波長変換して出射面から出射する透明な光波長変換部材と、光波長変換部材の出射面に接するよう設けられた、光波長変換部材よりも屈折率が低い出射層と、発光素子の出射面および光波長変換部材の入射面の双方に接するよう設けられた、光波長変換部材よりも屈折率が低い中間部材と、を有する発光モジュールと、発光モジュールから出射された光を集光する光学部材と、を備える。中間部材は、出射層よりも低い屈折率を有する。【００１６】
この態様によれば、中間部材と出射層が相俟って発光素子が発する光の取り出し効率を向上させた発光モジュールを用いて灯具ユニットを構成することができる。このため、照射する光の光度または輝度の高い灯具ユニットを提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高輝度または高光度の発光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態に係る車両用前照灯の構成を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る発光モジュール基板の構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る発光モジュールの構成を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る発光モジュールの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態という）について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、第１の実施形態に係る車両用前照灯１０の構成を示す断面図である。車両用前照灯１０は、灯具ボディ１２、前面カバー１４、および灯具ユニット１６を有する。以下、図１において左側を灯具前方、右側を灯具後方として説明する。また、灯具前方にみて右側を灯具右側、左側を灯具左側という。図１は、灯具ユニット１６の光軸を含む鉛直平面によって切断された車両用前照灯１０を灯具左側から見た断面を示している。なお、車両用前照灯１０が車両に装着される場合、車両には互いに左右対称に形成された車両用前照灯１０が車両左前方および右前方のそれぞれに設けられる。図１は、左右いずれかの車両用前照灯１０の構成を示している。
【００２１】
灯具ボディ１２は開口を有する箱状に形成される。前面カバー１４は透光性を有する樹脂またはガラスによって椀状に形成される。前面カバー１４は、縁部が灯具ボディ１２の開口部に取り付けられる。こうして、灯具ボディ１２と前面カバー１４とによって覆われる領域に灯室が形成される。
【００２２】
灯室内には、灯具ユニット１６が配置される。灯具ユニット１６は、エイミングスクリュー１８によって灯具ボディ１２に固定される。下方のエイミングスクリュー１８はレベリングアクチュエータ２０が作動することにより回転するよう構成されている。このため、レベリングアクチュエータ２０を作動させることで、灯具ユニット１６の光軸を上下方向に移動することが可能となっている。
【００２３】
灯具ユニット１６は、投影レンズ３０、支持部材３２、リフレクタ３４、ブラケット３６、発光モジュール基板３８、および放熱フィン４２を有する。投影レンズ３０は、灯具前方側表面が凸面で後方側表面が平面の平凸非球面レンズからなり、その後方焦点面上に形成される光源像を反転像として灯具前方に投影する。支持部材３２は、投影レンズ３０を支持する。発光モジュール基板３８には発光モジュール４０が設けられている。リフレクタ３４は、発光モジュール４０からの光を反射して、投影レンズ３０の後方焦点面に光源像を形成する。このようにリフレクタ３４および投影レンズ３０は、発光モジュール４０が発した光を灯具前方に向けて集光する光学部材として機能する。放熱フィン４２は、ブラケット３６の後方側の面に取り付けられ、主に発光モジュール４０が発した熱を放熱する。
【００２４】
支持部材３２には、シェード３２ａが形成されている。車両用前照灯１０はロービーム用光源として用いられ、シェード３２ａは、発光モジュール４０から発せられリフレクタ３４にて反射した光の一部を遮ることで、車両前方においてロービーム用配光パターンにおけるカットオフラインを形成する。ロービーム用配光パターンは公知であることから説明を省略する。
【００２５】
図２は、第１の実施形態に係る発光モジュール基板３８の構成を示す図である。発光モジュール基板３８は、発光モジュール４０、基板４４、および透明カバー４６を有する。基板４４はプリント配線基板であり、上面に発光モジュール４０が取り付けられている。発光モジュール４０は、無色の透明カバー４６によって覆われている。
【００２６】
図３は、第１の実施形態に係る発光モジュール４０の構成を示す図である。発光モジュール４０は、素子搭載基板４８、反射基体５０、半導体発光素子５２、およびセラミックユニット５６を有する。
【００２７】
素子搭載基板４８は、ＡＩＮ、ＳｉＣ、Ａｉ２Ｏ３、Ｓｉなど、熱伝導性の高い材料によって板状に形成される。反射基体５０は、直方体の部材の中央に貫通孔５０ａが設けられた形状に形成される。貫通孔５０ａの内面には、光が反射するようアルミまたは銀などが蒸着またはスパッタリングされることによる鏡面処理が施されている。
【００２８】
半導体発光素子５２は、ＬＥＤ素子によって構成される。第１の実施形態では、半導体発光素子５２として、青色の波長の光を主として発する青色ＬＥＤが採用されている。具体的には、半導体発光素子５２は、サファイヤ基板上にＧａＮ系半導体層を結晶成長させることにより形成されるＧａＮ系ＬＥＤ素子によって構成されている。半導体発光素子５２は、例えば１ｍｍ角のチップとして形成され、発する青色光の中心波長は４６０ｎｍとなるよう設けられている。なお、半導体発光素子５２の構成や発する光の波長が上述したものに限られないことは勿論である。
【００２９】
セラミックユニット５６は、光波長変換部材５８および低屈折率層６０から構成されている。光波長変換部材５８は、５０μｍ以上１０００μｍ未満の厚さの板状に形成された光波長変換部材からなる資材を、半導体発光素子５２よりサイズが例えば５％以上１０％以下大きくなるようダイシングすることにより形成される。なお、光波長変換部材５８の大きさがこれに限られないことは勿論であり、例えば光波長変換部材５８は、半導体発光素子５２と同じサイズにダイシングされてもよい。また、光波長変換部材５８は、半導体発光素子５２より１０％を超えて大きくダイシングされてもよく、ゼロより大きく５％未満だけサイズが大きくなるようダイシングされてもよい。
【００３０】
光波長変換部材５８は、いわゆる発光セラミック、または蛍光セラミックと呼ばれるものであり、青色光によって励起される蛍光体であるＹＡＧ（Yttrium Alminium Garnet）粉末を用いて作成されたセラミック素地を焼結することにより得ることができる。このような光波長変換部材の製造方法は公知であることから詳細な説明は省略する。こうして得られた光波長変換部材５８は、例えば粉末状の蛍光体と異なり、粉末表面での光拡散を抑制でき、半導体発光素子５２が発する光の損失が非常に少ないという特性を有する。
【００３１】
光波長変換部材５８は、入射面５８ａから入射した半導体発光素子５２が主として発する青色光を波長変換して出射面５８ｂから黄色光を出射する。このため、発光モジュール４０からは、光波長変換部材５８をそのまま透過した青色光と、光波長変換部材５８によって波長が変換された黄色光との合成光が出射面５８ｂから出射する。こうして白色の光を発光モジュール４０から発することが可能となる。
【００３２】
また、光波長変換部材５８には、透明なものが採用されている。第１の実施形態において「透明」とは、変換光波長域の全光線透過率が４０％以上のことを意味するものとする。発明者の鋭意なる研究開発の結果、変換光波長域の全光線透過率が４０％以上の透明な状態であれば、光波長変換部材５８による光の波長を適切に変換できると共に、光波長変換部材５８を通過する光の光度の減少も適切に抑制できることが判明した。したがって、光波長変換部材５８をこのように透明な状態にすることによって、半導体発光素子５２が発する光をより効率的に変換することができる。
【００３３】
また、光波長変換部材５８はバインダーレスの無機物で構成され、バインダーなどの有機物を含有する場合に比べて耐久性の向上が図られている。このため、例えば発光モジュール４０に１Ｗ（ワット）以上の電力を投入することが可能となっており、発光モジュール４０が発する光の輝度および光度を高めることが可能となっている。
【００３４】
なお、半導体発光素子５２は青以外の波長の光を主として発するものが採用されてもよい。この場合も、光波長変換部材５８には、半導体発光素子５２が発する主とする光の波長を変換するものが採用される。なお、光波長変換部材５８は、この場合においても半導体発光素子５２が主として発する波長の光と組み合わせることにより白色または白色に近い色の波長の光となるよう、半導体発光素子５２が発する光の波長を変換してもよい。
【００３５】
低屈折率層６０は、光波長変換部材５８の入射面５８ａを除く面、すなわち出射面５８ｂおよび側端面にコーティングされて形成される。低屈折率層６０は、光波長変換部材５８の出射面５８ｂに接するよう設けられ、光波長変換部材５８から入射した光を出射する出射層として機能する。低屈折率層６０は、互いに異なる屈折率の層が複数層コーティングされて形成されている。具体的には、まず光波長変換部材５８の入射面５８ａをマスキングし、光波長変換部材５８よりも屈折率が少しだけ低い透明材料をコーティングする。次に、直前にコーティングした透明材料よりも、屈折率がさらに少しだけ低い別の透明材料をその上にコーティングする。こうして低屈折率層６０の入射面６０ａから出射面６０ｂにかけて、各々の層の屈折率が徐々に低くなるよう低屈折率層６０が形成されている。すべての層のコーティングの終了後、光波長変換部材５８のマスキングを除去してセラミックユニット５６が設けられる。
【００３６】
例えば、ある第１の部材と、第１の部材よりも屈折率の低い第２の部材とが互いに接している場合、その屈折率の差が低いほど第１の部材と第２の部材との間における光の反射が抑制されて第１の部材から第２の部材へと光が進みやすいことが知られている。このように徐々に屈折率が低くなる複数の層からなる低屈折率層６０を光波長変換部材５８にコーティングすることによって、屈折率の差が大きい部材の間で光を通過させることを回避することができ、低屈折率層６０がない場合に比べて光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３７】
中間部材６２は、半導体発光素子５２の出射面５２ａと光波長変換部材５８の入射面５８ａの双方に接するよう両者の間に設けられる。中間部材６２において、半導体発光素子５２の出射面５２ａと接する部分が入射面６２ａとなり、光波長変換部材５８の入射面５８ａに接する部分が出射面６２ｂとなる。
【００３８】
中間部材６２は、半導体発光素子５２が発した光が光波長変換部材５８に円滑に入射するよう、光波長変換部材５８よりも低い屈折率を有する材料によって形成される。中間部材６２は、例えば接着剤など、粘性または柔軟性のある材料が半導体発光素子５２の出射面５２ａと光波長変換部材５８の入射面との間に挟まれた後に固化することによって形成される。なお、中間部材６２として、シリコーン系、ゾルゲルシリカ系、フッ素系、無機ガラス系などの耐光性に優れた材料が用いられてもよい。このように半導体発光素子５２と光波長変換部材５８との間に中間部材６２を設けることで、半導体発光素子５２の出射面５２ａに光波長変換部材５８の入射面５８ａを直接貼り合わせた場合の両者の間の屈折率の差に比べ、互いに接する部材間の屈折率の差を低減させることができる。このため、半導体発光素子５２が発した光の途中の反射を抑制し、光波長変換部材５８に光を入射しやすくすることができる。
【００３９】
さらに第１の実施形態では、中間部材６２は、低屈折率層６０のうち、光波長変換部材５８に直接接する層（以下、「接触層」という）よりも低い屈折率を有する。これにより、光波長変換部材５８と中間部材６２との屈折率の差を、光波長変換部材５８と低屈折率層６０の接触層との屈折率の差よりも大きくすることができる。このため、光波長変換部材５８の内部を通過する光が中間部材６２よりも低屈折率層６０に進みやすい状態とすることができ、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００４０】
また、第１の実施形態では、図３に示すように、互いに接する半導体発光素子５２の出射面５２ａおよび中間部材６２の入射面６２ａの双方には、凹凸が形成されている。これにより、このような凹凸が形成されていない場合に比べ、半導体発光素子５２から中間部材６２に入射する光を増やすことが可能となり、半導体発光素子５２が発する光の取り出し効率を向上させることができる。
【００４１】
なお、この凹凸の繰り返し周期が１００マイクロメートル以下となるよう、互いに接する半導体発光素子５２の出射面５２ａおよび中間部材６２の入射面６２ａの双方に凹凸が形成されていてもよい。発明者による鋭意なる研究開発の結果、このような繰り返し周期の凹凸を形成することにより、光の取り出し効率をより向上させることが判明した。したがって、これにより輝度または光度の高い発光モジュール４０を提供することが可能となる。
【００４２】
発光モジュール４０を製造するときは、まず接着などによって反射基体５０を素子搭載基板４８に固定する。次に、反射基体５０の貫通孔５０ａの内部に発光面である出射面５２ａが上方となるよう半導体発光素子５２を配置し、金バンプ５４を介して素子搭載基板４８にボンディングすることによりフリップチップ実装を行う。このとき、半導体発光素子５２は上面となる出射面５２ａが反射基体５０の上面と同じ高さまたは微小に低い高さとなるよう配置される。
【００４３】
次に、光波長変換部材５８の入射面５８ａ、または半導体発光素子５２の出射面５２ａに中間部材６２を塗布し、光波長変換部材５８の入射面５８ａと半導体発光素子５２の出射面５２ａとが互いに対向するようにセラミックユニット５６を半導体発光素子５２の上方に取り付ける。第１の実施形態では板状の光波長変換部材５８を用いるため、例えば粉状の光波長変換部材を半導体発光素子５２の上方に積載する場合に比べて光波長変換部材５８を容易に取り扱うことができ、発光モジュール４０を簡易に製造することができる。こうして、半導体発光素子５２が発した光が中間部材６２を介して光波長変換部材５８の入射面５８ａに入射するよう、半導体発光素子５２、中間部材６２、および光波長変換部材５８が配置される。
【００４４】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る発光モジュール４０の構成を示す図である。なお、発光モジュール４０に代えて発光モジュール８０が設けられる以外は、車両用前照灯の構成は第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
発光モジュール８０は、セラミックユニット５６に代えてセラミックユニット８２が設けられ、中間部材６２に代えて中間部材８６が設けられる以外は、第１の実施形態に係る発光モジュール４０と同様に構成される。発光モジュール８０は、第１の実施形態と同様に、互いに接する半導体発光素子５２の出射面５２ａおよび中間部材８６の入射面８６ａの双方には、凹凸が形成されている。また、セラミックユニット８２は、光波長変換部材８４および低屈折率層６０から構成されている。低屈折率層６０は、光波長変換部材８４の入射面８４ａを除く面、すなわち出射面８４ｂおよび側端面にコーティングされて形成される。光波長変換部材８４の材質は第１の実施形態に係る光波長変換部材５８と同様であり、また、中間部材８６の材質は、第１の実施形態に係る中間部材６２と同様である。
【００４６】
第２の実施形態では、図４に示すように、互いに接する光波長変換部材５８の入射面５８ａおよび中間部材８６の出射面８６ｂの双方に凹凸が形成されている。これにより、このような凹凸が形成されていない場合に比べ、中間部材８６から光波長変換部材８４に入射する光を増やすことが可能となり、中間部材８６の出射面８６ｂと光波長変換部材８４の入射面８４ａとによる反射によって光波長変換部材８４に入射できない光を減らすことができる。
【００４７】
なお、この凹凸の繰り返し周期が１００マイクロメートル以下となるよう、互いに接する光波長変換部材５８の入射面５８ａおよび中間部材８６の出射面８６ｂの双方に凹凸が形成されていてもよい。発明者による鋭意なる研究開発の結果、このような繰り返し周期の凹凸を形成することにより、光の取り出し効率をより向上させることが判明した。したがって、これにより輝度または光度の高い発光モジュール４０を提供することが可能となる。
【００４８】
本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【００４９】
１０  車両用前照灯、  １６  灯具ユニット、  ４０  発光モジュール、  ５２  半導体発光素子、  ５２ａ  出射面、  ５６  セラミックユニット、  ５８  光波長変換部材、  ５８ａ  入射面、  ５８ｂ  出射面、  ６０  低屈折率層、  ６０ａ  入射面、  ６０ｂ  出射面、  ６２  中間部材、  ６２ａ  入射面、  ６２ｂ  出射面、  ８０  発光モジュール、  ８２  セラミックユニット、  ８４  光波長変換部材、  ８４ａ  入射面、  ８４ｂ  出射面、  ８６  中間部材、  ８６ａ  入射面、  ８６ｂ  出射面。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、高輝度または高光度の発光モジュールを提供することができる。
【図１】
0005395097.tif 000002
【図２】
0005395097.tif 000003
【図３】
0005395097.tif 000004
【図４】
0005395097.tif 000005