(57)【要約】【課題】光源モジュールが発生する光を効率よく利用する。【解決手段】光を発生する発光モジュールであって、光を発生する半導体発光素子と、発光モジュールが発生する光を透過する素材で、半導体発光素子を封止する封止部材とを備え、半導体発光素子は、封止部材に向かって光を透過して、透過した光を、封止部材と対向する対向面から出射するサファイア基板であって、対向面に、サファイア基板が透過する光の波長よりも小さな格子周期で形成されることにより、光の反射を低減させるサブ波長格子が形成されているサファイア基板と、サファイア基板における、対向面の裏面上に結晶成長させることにより形成されており、サファイア基板に向かって光を発生する半導体層とを有する。【選択図】図４
2005209794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発生する発光モジュールであって、
光を発生する半導体発光素子と、
前記発光モジュールが発生する光を透過する素材で、前記半導体発光素子を封止する封止部材と
を備え、
前記半導体発光素子は、
前記封止部材に向かって光を透過して、透過した光を、前記封止部材と対向する対向面から出射するサファイア基板であって、前記対向面に、前記サファイア基板が透過する光の波長よりも小さな格子周期で形成されることにより、光の反射を低減させるサブ波長格子が形成されているサファイア基板と、
前記サファイア基板における、前記対向面の裏面上に結晶成長させることにより形成されており、前記サファイア基板に向かって光を発生する半導体層と
を有する発光モジュール。
【請求項２】
前記サブ波長格子は、前記対向面と垂直な方向に突出する複数の凸部を有し、
前記複数の凸部は、前記サファイア基板が透過する光の半波長より小さな格子間隔で配列され、
前記凸部の高さは、前記サファイア基板が透過する光の半波長より大きい請求項１に記載の発光モジュール。
【請求項３】
前記半導体層は、前記サファイア基板に向かって紫外光を発生し、
前記サファイア基板は、前記半導体層が発生する紫外光を透過して、前記対向面から、前記封止部材へ出射し、
前記発光モジュールは、前記半導体層が発生する紫外光に応じて蛍光することにより可視光を発生する、前記サファイア基板の前記対向面上に設けられた蛍光体層を更に備え、
前記封止部材は、前記蛍光体層を挟んで前記サファイア基板の前記対向面と対向し、
前記蛍光体層は、前記サファイア基板よりも小さな屈折率を有し、
前記複数の凸部の前記格子間隔は、前記サファイア基板中における前記紫外光の半波長よりも小さく、
前記凸部の高さは、前記蛍光体層中における前記紫外光の半波長よりも大きい請求項２に記載の発光モジュール。
【請求項４】
前記半導体層は、前記サファイア基板に向かって青色光を発生し、
前記サファイア基板は、前記半導体層が発生する青色光を透過して、前記対向面から、前記封止部材へ出射し、
前記発光モジュールは、前記半導体層が発生する青色光に応じて蛍光することにより黄色光を発生する、前記サファイア基板の前記対向面上に設けられた蛍光体層を更に備え、
前記封止部材は、前記蛍光体層を挟んで前記サファイア基板の前記対向面と対向し、
前記蛍光体層は、前記サファイア基板よりも小さな屈折率を有し、
前記複数の凸部の前記格子間隔は、前記サファイア基板中における前記青色光の半波長よりも小さく、
前記凸部の高さは、前記蛍光体層中における前記青色光の半波長よりも大きい請求項２に記載の発光モジュール。
【請求項５】
前記封止部材の屈折率は、空気の屈折率よりも大きく、かつ１．４以下であり、
前記封止部材は、前記サファイア基板の前記対向面と平行な出射面を有し、前記サファイア基板から入射する光を、前記発光モジュールの外部へ、前記出射面から出射する請求項１に記載の発光モジュール。
【請求項６】
前記半導体層は、前記サファイア基板に向かって紫外光を発生し、
前記サファイア基板は、前記半導体層が発生する紫外光を透過して、前記対向面から、前記封止部材へ出射し、
前記発光モジュールは、前記半導体層が発生する紫外光に応じて蛍光することにより可視光を発生する、前記サファイア基板の前記対向面上に設けられた蛍光体層を更に備え、
前記蛍光体層の屈折率は、前記サファイア基板の屈折率より小さく、かつ前記封止部材の屈折率より大きく、
前記封止部材は、シリコン樹脂又はフッ素系樹脂により形成された請求項１に記載の発光モジュール。
【請求項７】
光を発生する灯具であって、
光を発生する発光モジュールと、
前記発光モジュールからの光を前記灯具の外部へ照射する光学部材と
を備え、
前記発光モジュールは、
光を発生する半導体発光素子と、
前記発光モジュールが発生する光を透過する素材で、前記半導体発光素子を封止する封止部材と
を有し、
前記半導体発光素子は、
前記封止部材に向かって光を透過して、透過した光を、前記封止部材と対向する対向面から出射するサファイア基板であって、前記対向面に、前記サファイア基板が透過する光の波長よりも小さな格子周期で形成されることにより、光の反射を低減させるサブ波長格子が形成されているサファイア基板と、
前記サファイア基板における、前記対向面の裏面上に結晶成長させることにより形成されており、前記サファイア基板に向かって光を発生する半導体層と
を含む灯具。
【請求項８】
前記灯具は、車両の前照灯に用いられる灯具であり、
前記封止部材の屈折率は、空気の屈折率よりも大きく、かつ１．４以下であり、
前記封止部材は、前記サファイア基板の前記対向面と平行な出射面を有し、前記サファイア基板から入射する光を、前記発光モジュールの外部へ、前記出射面から出射し、
前記光学部材は、前記サファイア基板の前記対向面の形状を投影することにより、前記前照灯の配光パターンの明暗境界を定めるカットラインの少なくとも一部を形成する請求項７に記載の灯具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光モジュール及び灯具に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードモジュール等の発光モジュールにおいて、半導体発光素子は、光の取り出し効率を向上させるために、透光性の樹脂等で形成された封止部材により、封止される（例えば、非特許文献１参照）。この場合、封止部材は、空気よりも屈折率が大きく、かつ半導体発光素子よりも屈折率が小さな素材により形成される。
【非特許文献１】Ｏｈｍ  ＭＯＯＫ  光シリーズＮｏ．１「光デバイス」Ｏｈｍｓｈａ、平成１３年１１月２５日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、封止部材の屈折率が高い場合、封止部材と空気との界面においては、光の全反射が生じる。そのため、従来、封止部材から空気中に、光を効率よく取り出せない場合があった。また、これにより、発光モジュールにおいて、発生する光を効率よく利用できない場合があった。
【０００４】
そこで本発明は、上記の課題を解決することができる発光モジュール及び灯具を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、光を発生する発光モジュールであって、光を発生する半導体発光素子と、発光モジュールが発生する光を透過する素材で、半導体発光素子を封止する封止部材とを備え、半導体発光素子は、封止部材に向かって光を透過して、透過した光を、封止部材と対向する対向面から出射するサファイア基板であって、対向面に、サファイア基板が透過する光の波長よりも小さな格子周期で形成されることにより、光の反射を低減させるサブ波長格子が形成されているサファイア基板と、サファイア基板における、対向面の裏面上に結晶成長させることにより形成されており、サファイア基板に向かって光を発生する半導体層とを有する。
【０００６】
また、サブ波長格子は、対向面と垂直な方向に突出する複数の凸部を有し、複数の凸部は、サファイア基板が透過する光の半波長より小さな格子間隔で配列され、凸部の高さは、サファイア基板が透過する光の半波長より大きくてもよい。
【０００７】
また、半導体層は、サファイア基板に向かって紫外光を発生し、サファイア基板は、半導体層が発生する紫外光を透過して、対向面から、封止部材へ出射し、発光モジュールは、半導体層が発生する紫外光に応じて蛍光することにより可視光を発生する、サファイア基板の対向面上に設けられた蛍光体層を更に備え、封止部材は、蛍光体層を挟んでサファイア基板の対向面と対向し、蛍光体層は、サファイア基板よりも小さな屈折率を有し、複数の凸部の格子間隔は、前サファイア基板中における紫外光の半波長よりも小さく、凸部の高さは、蛍光体層中における紫外光の半波長よりも大きくてもよい。
【０００８】
また、半導体層は、サファイア基板に向かって青色光を発生し、サファイア基板は、半導体層が発生する青色光を透過して、対向面から、封止部材へ出射し、発光モジュールは、半導体層が発生する青色光に応じて蛍光することにより黄色光を発生する、サファイア基板の対向面上に設けられた蛍光体層を更に備え、封止部材は、蛍光体層を挟んでサファイア基板の対向面と対向し、蛍光体層は、サファイア基板よりも小さな屈折率を有し、複数の凸部の格子間隔は、サファイア基板中における青色光の半波長よりも小さく、凸部の高さは、蛍光体層中における青色光の半波長よりも大きくてもよい。
【０００９】
また、封止部材の屈折率は、空気の屈折率よりも大きく、かつ１．４以下であり、封止部材は、サファイア基板の対向面と平行な出射面を有し、サファイア基板から入射する光を、発光モジュールの外部へ、出射面から出射してもよい。
【００１０】
また、半導体層は、サファイア基板に向かって紫外光を発生し、サファイア基板は、半導体層が発生する紫外光を透過して、対向面から、封止部材へ出射し、発光モジュールは、半導体層が発生する紫外光に応じて蛍光することにより可視光を発生する、サファイア基板の対向面上に設けられた蛍光体層を更に備え、蛍光体層の屈折率は、サファイア基板の屈折率より小さく、かつ封止部材の屈折率より大きく、封止部材は、シリコン樹脂又はフッ素系樹脂により形成されてもよい。
【００１１】
本発明の第２の形態においては、光を発生する灯具であって、光を発生する発光モジュールと、発光モジュールからの光を灯具の外部へ照射する光学部材とを備え、発光モジュールは、光を発生する半導体発光素子と、発光モジュールが発生する光を透過する素材で、半導体発光素子を封止する封止部材とを有し、半導体発光素子は、封止部材に向かって光を透過して、透過した光を、封止部材と対向する対向面から出射するサファイア基板であって、対向面に、サファイア基板が透過する光の波長よりも小さな格子周期で形成されることにより、光の反射を低減させるサブ波長格子が形成されているサファイア基板と、サファイア基板における、対向面の裏面上に結晶成長させることにより形成されており、サファイア基板に向かって光を発生する半導体層とを含む。
【００１２】
また、灯具は、車両の前照灯に用いられる灯具であり、封止部材の屈折率は、空気の屈折率よりも大きく、かつ１．４以下であり、封止部材は、サファイア基板の対向面と平行な出射面を有し、サファイア基板から入射する光を、発光モジュールの外部へ、出射面から出射し、光学部材は、サファイア基板の対向面の形状を投影することにより、前照灯の配光パターンの明暗境界を定めるカットラインの少なくとも一部を形成してもよい。
【００１３】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１５】
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る車両用灯具１０の構成の一例を示す。図１は、車両用灯具１０の斜視図である。図２は、中段の光源ユニット２０を横断する水平面による車両用灯具１０の水平断面図である。本例は、ＬＥＤモジュール１００が発生する光を効率よく利用して、配光パターンを形成することを目的とする。車両用灯具１０は、例えば自動車等の車両に用いられる車両用前照灯（ヘッドランプ）であり、車両の前方に光を照射する。車両用灯具１０は、複数の光源ユニット２０、カバー１２、ランプボディ１４、回路ユニット１６、複数の放熱部材２４、エクステンションリフレクタ２８、及びケーブル２２、２６を備える。
【００１６】
複数の光源ユニット２０のそれぞれは、ＬＥＤモジュール１００を有し、ＬＥＤモジュール１００が発生する光に基づき、所定の配光パターンの光を、車両の前方に照射する。光源ユニット２０は、例えば、光源ユニット２０の光軸の方向を調整するためのエイミング機構によって傾動可能に、ランプボディ１４に支持される。光源ユニット２０は、車両用灯具１０を車体に取り付けた場合の光軸の方向が、例えば０．３〜０．６°程度、下向きになるように、ランプボディ１４に支持されてよい。
【００１７】
尚、複数の光源ユニット２０は、同一又は同様の配光特性を有してもよく、それぞれ異なる配光特性を有してもよい。また、他の例において、一の光源ユニット２０が、複数のＬＥＤモジュール１００を有してもよい。光源ユニット２０は、ＬＥＤモジュール１００に代えて、例えば半導体レーザを有してもよい。
【００１８】
カバー１２及びランプボディ１４は、車両用灯具１０の灯室を形成し、この灯室内に複数の光源ユニット２０を収容する。カバー１２及びランプボディ１４は、光源ユニット２０を密閉及び防水してよい。カバー１２は、ＬＥＤモジュール１００が発生する光を透過する素材により、例えば素通し状に、形成され、複数の光源ユニット２０の前方を覆うように、車両の前面に設けられる。ランプボディ１４は、複数の光源ユニット２０を挟んでカバー１２と対向して、複数の光源ユニット２０を後方から覆うように設けられる。ランプボディ１４は、車両のボディと一体に形成されてもよい。
【００１９】
回路ユニット１６は、ＬＥＤモジュール１００を点灯させる点灯回路等が形成されたモジュールである。回路ユニット１６は、ケーブル２２を介して光源ユニット２０と電気的に接続される。また、回路ユニット１６は、ケーブル２６を介して、車両用灯具１０の外部と電気的に接続される。
【００２０】
複数の放熱部材２４は、光源ユニット２０の少なくとも一部と接触して設けられたヒートシンクである。放熱部材２４は、例えば金属等の、空気よりも高い熱伝導率を有する素材により形成される。放熱部材２４は、例えばエイミング機構の支点に対して光源ユニット２０を動かす範囲で、光源ユニット２０に伴って可動であり、ランプボディ１４に対し、光源ユニット２０の光軸調整を行うのに十分な間隔を空けて設けられる。複数の放熱部材２４は、一の金属部材により、一体に形成されてよい。この場合、複数の放熱部材２４の全体から、効率よく放熱を行うことができる。
【００２１】
エクステンションリフレクタ２８は、例えば薄い金属板等により、複数の光源ユニット２０の下部から、カバー１２へ渡って形成された反射鏡である。エクステンションリフレクタ２８は、ランプボディ１４の内面の少なくとも一部を覆うように形成されることにより、ランプボディ１４の内面の形状を隠し、車両用灯具１０の見栄えを向上させる。
【００２２】
また、エクステンションリフレクタ２８の少なくとも一部は、光源ユニット２０及び／又は放熱部材２４と接触する。この場合、エクステンションリフレクタ２８は、ＬＥＤモジュール１００が発生する熱をカバー１２に伝導する熱伝導部材の機能を有する。これにより、エクステンションリフレクタ２８は、ＬＥＤモジュール１００を放熱する。また、エクステンションリフレクタ２８の一部は、カバー１２又はランプボディ１４に固定される。エクステンションリフレクタ２８は、複数の光源ユニット２０の上方、下方、及び側方を覆う枠状に形成されてもよい。
【００２３】
本例によれば、光源としてＬＥＤモジュール１００を用いることにより、光源ユニット２０を小型化することができる。また、これにより、例えば光源ユニット２０の配置の自由度が向上するため、デザイン性の高い車両用灯具１０を提供することができる。
【００２４】
図３は、ＬＥＤモジュール１００の構成の一例を示す。ＬＥＤモジュール１００は、光を発生する発光モジュールの一例であり、基板１１２、複数の電極１０４、キャビティ１０９、保持部１１８、封止部材１０８、発光ダイオード素子１０２、及び蛍光体層１０６を有する。
【００２５】
基板１１２は、発光ダイオード素子１０２を上面に裁置して固定する板状体である。また、基板１１２は、電極１０４と発光ダイオード素子１０２とを電気的に接続する配線を含み、複数の電極１０４から受け取る電力を、発光ダイオード素子１０２に供給する。複数の電極１０４は、ＬＥＤモジュール１００の外部から受け取る電力を、基板１１２を介して、発光ダイオード素子１０２に供給する。キャビティ１０９は、基板１１２の上に、発光ダイオード素子１０２を囲むように形成された空洞であり、内部に蛍光体層１０６を保持する。
【００２６】
保持部１１８は、複数の電極１０４、基板１１２、キャビティ１０９、及び封止部材１０８を保持する。また、保持部１１８の少なくとも一部は、例えば金属等の、空気よりも熱伝導率の高い素材で形成され、発光ダイオード素子１０２が発生する熱を、例えば基板１１２を介して、ＬＥＤモジュール１００の外部に伝達する。
【００２７】
発光ダイオード素子１０２は、光を発生する半導体発光素子の一例であり、電極１０４及び基板１１２を介してＬＥＤモジュール１００の外部から受け取る電力に応じて、紫外光を発生する。本例において、発光ダイオード素子１０２は、封止部材１０８と対向する表面である発光面１１６の略全体を発光領域として、光を発生する。本例において、発光面１１６は、直線状の４辺に囲まれた長方形である。また、他の例において、発光ダイオード素子１０２は、紫外光に代えて、例えば青色光を発生してもよい。ＬＥＤモジュール１００は、半導体発光素子として、例えばレーザダイオード素子を有してもよい。
【００２８】
蛍光体層１０６は、キャビティ１０９内に充填されることにより、発光ダイオード素子１０２の表面を覆うように設けられており、発光ダイオード素子１０２が発生する紫外光に応じて、赤色光、緑色光、及び青色光を発生する。これにより、蛍光体層１０６は、紫外光に応じて、白色光を発生する。また、これにより、ＬＥＤモジュール１００は、白色光を発生する。尚、発光ダイオード素子１０２が青色光を発生する場合、蛍光体層１０６は、発光ダイオード素子１０２が発生する青色光に応じて、青色の補色である黄色の光を発生してよい。この場合、ＬＥＤモジュール１００は、発光ダイオード素子１０２及び蛍光体層１０６が発生する青色光及び黄色光に基づき、白色光を発生する。蛍光体層１０６は、封止部材１０８の内部に設けられてもよい。
【００２９】
封止部材１０８は、発光ダイオード素子１０２を封止するモールドである。本例において、封止部材１０８は、白色光を透過する素材で、発光ダイオード素子１０２及び蛍光体層１０６を封止する。この場合、封止部材１０８は、蛍光体層１０６を挟んで発光ダイオード素子１０２と対向する。尚、この白色光は、ＬＥＤモジュール１００が発生する光の一例である。封止部材１０８は、例えばシリコン樹脂又はフッ素系樹脂により形成される。封止部材１０８の屈折率は、空気の屈折率よりも大きく、例えば１．３〜１．６程度である。また、更には、封止部材１０８の屈折率は、１．４以下であるのが好ましい。この場合、封止部材１０８と空気の界面における全反射を低減することにより、発光ダイオード素子１０２が発生する光を、ＬＥＤモジュール１００の外部へ、効率よく出射することができる。そのため、本例によれば、ＬＥＤモジュール１００が発生する光を効率よく利用することができる。
【００３０】
また、本例において、封止部材１０８は、出射面１２０を有し、出射面１２０において、空気と接している。出射面１２０は、発光ダイオード素子１０２の発光面１１６と平行な平面状に形成される。封止部材１０８は、発光ダイオード素子１０２と対向する界面から入射した光を、出射面１２０から外部に出射する。これにより、封止部材１０８は、蛍光体層１０６が発生する赤色光、緑色光、及び青色光を透過して、出射面１２０から空気中へ出射する。
【００３１】
ここで、出射面１２０が、例えば球面状であるとすれば、封止部材１０８は、凸レンズの機能を有することとなる。この場合、光源ユニット２０（図１参照）の光学設計においては、この凸レンズの機能を考慮する必要が生じる。そのため、この場合、例えば光学設計が複雑化する場合がある。また、高い精度で配光パターンを形成するために、この凸レンズを高い精度で形成しようとすれば、ＬＥＤモジュール１００のコストが大きく上昇する場合がある。
【００３２】
しかし、本例において、出射面１２０は、平面状に形成されている。そのため、本例によれば、封止部材１０８のレンズ機能を考慮することなく、光源ユニット２０の光学設計を、簡易に行うことができる。また、平面状の出射面１２０は、低いコストで、高精度に形成することができる。そのため、本例によれば、ＬＥＤモジュール１００を、低いコストで提供することができる。
【００３３】
図４は、発光ダイオード素子１０２及び蛍光体層１０６の詳細な構成の一例を、基板１１２、キャビティ１０９、保持部１１８、及び封止部材１０８と共に示す。本例において、発光ダイオード素子１０２は、複数の電極４１２ａ、ｂ、サファイア基板４１０、及び半導体層４０８を有し、サファイア基板４１０と基板１１２とが半導体層４０８を挟んで対向するように、基板１１２上に、フリップチップ実装される。電極４１２ａ、ｂは、例えば半田バンプであり、半導体層４０８と基板１１２とを、電気的に接続する。
【００３４】
サファイア基板４１０は、１．８程度（例えば１．７５〜１．８５）の屈折率を有し、半導体層４０８が発生する光を、封止部材１０８に向かって透過する。そして、サファイア基板４１０は、透過した光を、封止部材１０８と対向する対向面１１０から、封止部材１０８へ出射する。これにより、発光ダイオード素子１０２は、対向面１１０を発光面１１６として、光を発生する。この場合、封止部材１０８は、サファイア基板４１０から入射する光を、対向面１１０と平行な出射面１２０（図３参照）から、ＬＥＤモジュール１００（図３参照）の外部へ出射する。
【００３５】
また、本例において、サファイア基板４１０の対向面１１０には、拡大図１５４に示すような、サブ波長格子１３２（ＳＷＧ：Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｇｒａｔｉｎｇ）が形成されている。サブ波長格子１３２は、サファイア基板４１０が透過する光の波長よりも小さな格子周期で形成されることにより、対向面１１０における光の反射を低減させる。尚、拡大図１５４は、斜め上方から見た場合のサブ波長格子１３２を示す。
【００３６】
半導体層４０８は、例えば２．２〜２．５程度の屈折率を有し、サファイア基板４１０に向かって光を発生する。半導体層４０８は、例えば２〜４程度の屈折率を有してもよい。また、半導体層４０８は、サファイア基板４１０における、対向面１１０の裏面１１４上に結晶成長させることにより形成される。
【００３７】
本例において、半導体層４０８は、Ｎ型ＧａＮ層４０２、ＩｎＧａＮ層４０４、及びＰ型ＧａＮ層４０６を有する。Ｎ型ＧａＮ層４０２、ＩｎＧａＮ層４０４、及びＰ型ＧａＮ層４０６は、サファイア基板４１０の裏面１１４上に、順次積層して形成される。半導体層４０８は、これらの層の間に、更に別の層を有してもよい。
【００３８】
Ｎ型ＧａＮ層４０２は、サファイア基板４１０の裏面１１４上に積層して形成され、電極４１２ｂにより、基板１１２と接続される。Ｎ型ＧａＮ層４０２は、例えばＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）緩衝層を挟んで、サファイア基板４１０上に形成されてもよい。
【００３９】
ＩｎＧａＮ層４０４は、発光層として機能する活性層であり、Ｎ型ＧａＮ層４０２上に積層して形成される。この場合、ＩｎＧａＮ層４０４は、Ｎ型又はＰ型のドーパント、好ましくはＳｉがドープされることにより形成される。ＩｎＧａＮ層４０４は、例えばＮ型ＡｌＧａＮ層を挟んで、Ｎ型ＧａＮ層４０２上に形成されてよい。
【００４０】
Ｐ型ＧａＮ層４０６は、ＩｎＧａＮ層４０４上に積層して形成され、電極４１２ａにより、基板１１２と接続される。Ｐ型ＧａＮ層４０６は、例えばＰ型ＡｌＧａＮ層を挟んで、ＩｎＧａＮ層４０４上に形成されてよい。
【００４１】
これにより、半導体層４０８は、電極４１２ａ、ｂ、及び基板１１２を介して受け取る電力に応じて、例えば波長が３６０〜３８０ｎｍ程度の紫外光を、サファイア基板４１０に向かって発生する。
【００４２】
尚、半導体層４０８は、上記以外の周知の層構造を有してもよい。例えば、半導体層４０８は、上記以外のＧａＮ系の半導体により形成されてよい。ここで、ＧａＮ系の半導体とは、例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）である。ＧａＮ系の半導体は、不純物をドープしない無添加層でＮ型層として用いられてもよく、アクセプター、ドナーの各ドーパントを添加することにより、各導電型のＧａＮ系の半導体層として用いられてもよい。この場合、Ｎ型の不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等を、更に好ましくはＳｉを用いてよい。また、Ｐ型の不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａ等を、更に好ましくはＭｇが用いてよい。また、他の例において、半導体層４０８は、サファイア基板４１０に向かって、青色光を発生してもよい。
【００４３】
蛍光体層１０６は、半導体層４０８が発生する紫外光に応じて蛍光することにより可視光を発生する。本例において、蛍光体層１０６は、蛍光体粒子６０２及びバインダ６０４を有する。本例において、蛍光体粒子６０２は、例えば２〜３程度の屈折率を有する。バインダ６０４は、例えば１．３〜１．６程度の屈折率を有する。
【００４４】
また、蛍光体粒子６０２は、紫外光に応じて可視光を発生する。バインダ６０４は、例えばシリコン樹脂又はフッ素系樹脂等により形成され、内部に蛍光体粒子６０２を収容することにより、蛍光体粒子６０２を、サファイア基板４１０の対向面１１０上に保持する。これにより、蛍光体層１０６は、サファイア基板４１０の対向面１１０上に設けられる。この場合、封止部材１０８は、蛍光体層１０６を挟んでサファイア基板４１０の対向面１１０と対向する。
【００４５】
そのため、蛍光体層１０６の屈折率は、サファイア基板４１０の屈折率より小さく、かつ封止部材１０８の屈折率より大きいのが好ましい。この場合、半導体層４０８が発生する紫外光を、高い効率で蛍光体層１０６に入射させ、かつ蛍光体層１０６が発生する光を、高い効率で、封止部材１０８に入射させることができる。尚、蛍光体層１０６の屈折率とは、例えば、蛍光体層１０６の界面における屈折率である。蛍光体層１０６の界面における屈折率は、内部の蛍光体粒子の屈折率の影響が小さいため、蛍光体層１０６におけるバインダの屈折率とほぼ同じであり、例えば１．３〜１．６程度である。
【００４６】
また、本例において、蛍光体層１０６は、それぞれ異なる色の光を発生する複数種類の蛍光体粒子６０２を有する。それぞれの種類の蛍光体粒子６０２は、紫外光に応じて、赤色光、緑色光、及び青色光のそれぞれを発生する。これにより、蛍光体層１０６は、紫外光に応じて、白色光を発生する。また、この場合、蛍光体層１０６が３原色の光を発生するため、演色性の高い白色光を発生することができる。
【００４７】
ここで、半導体層４０８が、青色光を発生する場合、蛍光体層１０６は、半導体層４０８が発生する青色光に応じて蛍光することにより、黄色光を発生してよい。この場合も、発光ダイオード素子１０２及び蛍光体層１０６は、互いに補色関係にある青色光及び黄色光を発生することにより、白色光を発生する。また、この場合、サファイア基板４１０は、半導体層４０８が発生する青色光を透過して、対向面１１０から、封止部材１０８へ出射する。
【００４８】
以下、サブ波長格子１３２について更に詳しく説明する。本例において、サブ波長格子１３２は、対向面１１０と垂直な方向に突出する複数の凸部１３４を有する。この場合、回折波が発生しないことにより、サファイア基板４１０の内部から対向面１１０に入射する光に対して、サブ波長格子１３２は、サファイア基板４１０の内部と外部との中間の有効屈折率の媒体と等価となる。
【００４９】
ここで、封止部材１０８から空気中へ、光を効率よく取り出すためには、封止部材１０８は、例えば１．４以下程度の、空気と近い屈折率を有するのが好ましい。しかし、この場合、対向面１１０において、サファイア基板４１０の内部と外部との屈折率の差が大きくなる場合がある。そのため、この場合に、例えばサブ波長格子１３２を用いずに、サファイア基板４１０の内部から光を出射させようとすれば、対向面１１０において、屈折率の不連続な変化が生じることとなる。この場合、対向面１１０における光の全反射により、サファイア基板４１０から光を効率よく取り出せない場合がある。
【００５０】
しかし、本例において、サブ波長格子１３２は、サファイア基板４１０の内部と外部との中間の有効屈折率を有する。そのため、本例によれば、対向面１１０における、光の反射を低減させることができる。また、これにより、サファイア基板４１０から、光を効率よく取り出すことができる。そのため、本例によれば、光の取り出し効率が高いＬＥＤモジュール１００を提供することができる。
【００５１】
また、対向面１１０にサブ波長格子１３２を形成しないとすると、発光ダイオード素子１０２が発生する光を効率よく封止部材１０８に取り出すためには、封止部材１０８の屈折率を、発光ダイオード素子１０２と同程度に高くすることが必要となる場合がある。しかし、この場合、封止部材１０８から空気中へ適切に光を取り出すためには、出射面１２０（図３参照）を例えば球面状にする必要が生じる場合がある。また、封止部材１０８に適し、かつ発光ダイオード素子１０２と同程度に高い屈折率を有する樹脂においては、紫外線耐性が低い場合がある。
【００５２】
しかし、本例によれば、対向面１１０にサブ波長格子１３２を形成することにより、封止部材１０８を、例えば屈折率が１〜１．４程度の素材により形成することができる。この場合、封止部材１０８と空気との屈折率の差が小さいため、出射面１２０を平面状に形成することができる。そのため、本例によれば、出射面１２０を、低いコストで、高精度に形成することができる。また、本例によれば、封止部材１０８の屈折率を１〜１．４程度とできるため、封止部材１０８を、シリコン樹脂又はフッ素系樹脂等のような、紫外線耐性が高い素材により形成することができる。
【００５３】
尚、複数の凸部１３４は、サファイア基板４１０の対向面１１０に対するエッチングにより形成される。このエッチングにおいては、例えば、複数の凸部１３４に対応するレジストパターンが、エッチングマスクとして用いられる。また、このレジストパターンは、例えば電子ビームリソグラフィー法によるパターン描写により形成される。
【００５４】
ここで、他の例においては、サブ波長格子１３２を、例えば半導体層４０８の表面に形成することも考えられる。しかし、半導体層４０８の表面は、電極４１２等が形成されるため、サファイア基板４１０の対向面１１０と比べ、平坦性が低い場合がある。この場合、例えば電極４１２が形成されている部分の凹凸等に起因して、高い精度で均一なレジスト膜を形成するのが困難となる場合がある。また、この場合、例えば電子ビームリソグラフィー法を用いたとしても、レジストパターンを高精度に形成するのが困難となる場合がある。
【００５５】
しかし、本例において、サブ波長格子１３２は、平坦性が高いサファイア基板４１０の対向面１１０上に形成される。そのため、本例によれば、高い精度で、サブ波長格子１３２を形成することができる。また、これにより、光の取り出し効率が高いＬＥＤモジュール１００を、適切に形成することができる。
【００５６】
図５は、サブ波長格子１３２の機能の一例を説明する図である。本例において、サファイア基板４１０の屈折率はｎ１である。また、蛍光体層１０６の屈折率はｎ２である。サブ波長格子１３２におけるそれぞれの凸部１３４は、四角錐状であり、対向面１１０と垂直な高さの方向（ｚ軸）に対して、断面積が漸減する。
【００５７】
ここで、サブ波長格子１３２の有効屈折率は、サファイア基板４１０の媒質と、蛍光体層１０６との体積占有率に応じて変化する。そのため、本例において、サブ波長格子１３２の有効屈折率は、凸部１３４の底面からの距離ｚに応じて、サファイア基板４１０の屈折率ｎ１から蛍光体層１０６の屈折率はｎ２へ、徐々に変化する。これにより、対向面１１０におけるサファイア基板４１０の内部と外部との屈折率差を滑らかに整合させることができる。そのため、本例によれば、対向面１１０における反射を低減することができる。
【００５８】
ここで、複数の凸部１３４は、サファイア基板４１０が透過する光の半波長より小さな格子間隔Δｘ、Δｙで配列されるのが好ましい。例えば、複数の凸部１３４の格子間隔は、サファイア基板４１０中における紫外光の半波長よりも小さくてよい。凸部１３４の高さｈは、サファイア基板４１０が透過する光の半波長より大きいのが好ましい。この場合、凸部１３４の高さｈは、蛍光体層１０６中における紫外光の半波長よりも大きくてよい。この場合、対向面１１０における反射を更に適切に低減することができる。
【００５９】
ここで、発光ダイオード素子１０２が青色光を発生する場合、複数の凸部１３４の格子間隔Δｘ、Δｙは、サファイア基板４１０中における青色光の半波長よりも小さくてよい。また、凸部１３４の高さｈは、蛍光体層１０６中における青色光の半波長よりも大きくてよい。また、他の例において、凸部１３４は、例えば円錐状、又は他の多角錐状であってもよい。凸部１３４は、高さ方向に対して徐々に断面積が減少するテーパー状に形成されるのが好ましい。また、凸部１３４のアスペクト比は、１以上であるのが好ましい。
【００６０】
図６は、ＬＥＤモジュール１００を製造する製造方法の一例を示すフローチャートである。本製造方法においては、最初に、サファイア基板４１０を準備する（Ｓ１０２）。そして、サファイア基板４１０の一方の面に、サブ波長格子１３２を形成する（Ｓ１０４）。本例において、サブ波長格子１３２は、サファイア基板４１０における、対向面１１０となるべき面に形成される。
【００６１】
そして、サファイア基板４１０の裏面に対して、例えばエピタキシャル結晶成長法により、半導体層４０８を形成する（Ｓ１０６）。これにより、発光ダイオード素子１０２が形成される。尚、サファイア基板４１０の裏面とは、対向面１１０となるべき面の裏面である。
【００６２】
次に、例えば保持部１１８に保持された基板１１２上に、発光ダイオード素子１０２を実装し（Ｓ１０８）、例えば蛍光体粒子６０２を含むバインダ６０４をキャビティ１０９中に充填することにより、蛍光体層１０６を形成する（Ｓ１１０）。
【００６３】
そして、次に、発光ダイオード素子１０２及び蛍光体層１０６を封止するように、封止部材１０８を形成して（Ｓ１１２）、本例の製造方法は、フローチャートを終了する。本例によれば、ＬＥＤモジュール１００を適切に形成することができる。
【００６４】
ここで、Ｓ１０６において半導体層４０８を形成する工程は、エピタキシャル結晶成長法を用いるため、他の工程と比べ、多くの所要時間と高い精度を要する場合がある。そのため、サブ波長格子１３２の形成を、例えば半導体層４０８を形成した後に行うとすれば、例えばサブ波長格子１３２形成の歩留まりが低下した場合に、ＬＥＤモジュール１００の製造コストが大きく上昇する場合がある。
【００６５】
しかし、本例において、サブ波長格子１３２は、サファイア基板４１０に形成されるため、半導体層４０８よりも先に形成される。この場合、例えばサブ波長格子１３２の形成に失敗したとしても、例えばそのサファイア基板４１０を廃棄することにより、以降の工程を省略することができる。そのため、本例によれば、ＬＥＤモジュール１００の生産コストを低減することができる。
【００６６】
図７及び図８は、光源ユニット２０の構成の一例を示す。図７は、光源ユニット２０のＡＡ垂直断面図である。図８は、光源ユニット２０のＢＢ垂直断面図である。光源ユニット２０は、ＬＥＤモジュール１００が発生する光を、車両の前方に照射する直射型の光源ユニットであり、ＬＥＤモジュール１００、基板５００、固定部材２０２、レンズ２０４、エクステンション２０８、及びハウジング２０６を有する。
【００６７】
ＬＥＤモジュール１００は、発光ダイオード素子１０２の発光面１１６における一辺とレンズ２０４の光軸とが直交するように、基板５００上に固定される。また、発光ダイオード素子１０２は、ケーブル２２及び基板５００を介して光源ユニット２０の外部から受け取る電力に基づき、発光面１１６から光を発生する。本例において、発光ダイオード素子１０２の発光面１１６は、サファイア基板４１０（図４参照）の対向面１１０である。
【００６８】
基板５００は、例えば表面又は内部等に形成されたプリント配線により、ＬＥＤモジュール１００と、ケーブル２２とを電気的に接続する。本例において、基板５００は、ＬＥＤモジュール１００を裁置して固定する板状体であり、ＬＥＤモジュール１００を、予め定められた基準位置に固定する。基板５００の少なくとも一部は、例えば金属等の、空気よりも熱伝導率が高い素材により形成される。また、基板５００の少なくとも一部は、固定部材２０２と接触する。これにより、基板５００は、ＬＥＤモジュール１００が発生する熱を、固定部材２０２に伝達する。
【００６９】
固定部材２０２は、例えば車両の前方を向く表面を有する板状体である。固定部材２０２は、レンズ２０４に対する相対位置が既知の位置に設けられる。また、固定部材２０２は、基板５００を挟んでＬＥＤモジュール１００と対向するように、その表面上に、基板５００を固定する。これにより、固定部材２０２は、ＬＥＤモジュール１００を、車両の前方に向けて固定し、車両の前方に向けて発光させる。
【００７０】
また、固定部材２０２は、例えば金属等の、空気よりも熱伝導率が高い素材により形成され、一端において、ハウジング２０６と接触する。これにより、固定部材２０２は、ＬＥＤモジュール１００が発生する熱をハウジング２０６に伝達して、ＬＥＤモジュール１００を放熱する。これにより、ＬＥＤモジュール１００の発光量が熱により低下するのを防ぐことができる。
【００７１】
エクステンション２０８は、例えば薄い金属板等により、ＬＥＤモジュール１００の近傍から、レンズ２０４の縁部の近傍に渡って形成される。これにより、エクステンション２０８は、ハウジング２０６の内面と、ＬＥＤモジュール１００との間の隙間を覆い隠し、車両用灯具１０（図１参照）の見栄えを向上させる。エクステンション２０８は、ＬＥＤモジュール１００が発生する光を反射してもよい。
【００７２】
ハウジング２０６は、ＬＥＤモジュール１００、基板５００、固定部材２０２、及びエクステンション２０８を収容する筐体である。また、ハウジング２０６は、前面に開口部を有し、この開口部においてレンズ２０４を保持する。ハウジング２０６は、基板５００及び固定部材２０２を介してＬＥＤモジュール１００から受け取る熱を、放熱部材２４（図１参照）及び／又はエクステンションリフレクタ２８（図１参照）に更に伝達してよい。これにより、ＬＥＤモジュール１００を、適切に放熱することができる。
【００７３】
レンズ２０４は、車両用灯具１０に用いられる光学部材の一例であり、ＬＥＤモジュール１００からの光を、車両用灯具１０の外部に照射する。本例において、レンズ２０４は、発光ダイオード素子１０２の発光面１１６の形状を車両の前方に投影することにより、配光パターンの少なくとも一部を形成する。また、レンズ２０４は、発光面１１６の一辺の上に、光学的中心の一例である焦点Ｆを有する。この場合、レンズ２０４は、例えば、この直線状の境界の形状に基づき、配光パターンの明暗境界を規定するカットラインの少なくとも一部を形成する。本例によれば配光パターンを適切に形成することができる。
【００７４】
尚、本例のＬＥＤモジュール１００において、封止部材１０８の出射面１２０は、平面状に形成されている。しかし、他の例において、出射面１２０が例えば球面状だとすれば、レンズ２０４から見た発光面１１６は、レンズ状の封止部材１０８により拡大された像となる。この場合、高い精度で配光パターンを形成するためには、発光ダイオード素子１０２に対してレンズ２０４よりも近い位置にある封止部材１０８を、例えばレンズ２０４よりも高い精度で形成することが必要になる場合がある。また、これにより、ＬＥＤモジュール１００のコストが上昇する場合がある。また、発光ダイオード素子１０２の拡大像の大きさを考慮してＬＥＤモジュール１００の位置あわせを行う必要が生じ、高い精度での位置合わせが困難になる場合がある。
【００７５】
しかし、本例によれば、サファイア基板４１０（図４参照）の対向面１１０にサブ波長格子１３２を形成することにより、平面状の出射面１２０を有する封止部材１０８を用いることができる。そのため、本例によれば、高い精度で配光パターンを形成する車両用灯具１０を、低いコストで提供することができる。また、拡大されていない実寸の発光ダイオード素子１０２を観察しながらＬＥＤモジュール１００の位置あわせを行うことにより、レンズ２０４に対するＬＥＤモジュール１００の位置を、簡易かつ高精度に合わせることができる。
【００７６】
図９は、車両用灯具１０（図１参照）により形成される配光パターン３００の一例を示す概念図である。配光パターン３００は、車両用灯具１０の前方２５ｍの位置に配置された仮想鉛直スクリーン上に形成されるロービーム配光パターンである。本例において、車両用灯具１０は、略水平方向の明暗境界を定める水平カットライン３０２、及び水平方向に対して１５°程度の角度をなす所定の斜め方向の明暗境界を定める斜めカットライン３０４を有する配光パターン３００を形成する。
【００７７】
本例において、車両用灯具１０は、それぞれ異なる配光特性を有する複数の光源ユニット２０備え、それぞれの光源ユニット２０が発生する光に基づき、配光パターン３００を形成する。この場合、それぞれの光源ユニット２０は、配光パターン３００における一部の領域を形成する。例えば、図７及び図８を用いて説明した光源ユニット２０は、配光パターン３００の一部の領域３０６を形成する。
【００７８】
以下、図７及び図８を用いて説明した光源ユニット２０の配光特性について、更に詳しく説明する。本例において、この光源ユニット２０におけるレンズ２０４は、発光ダイオード素子１０２が発生する光を前方に照射することにより、発光ダイオード素子１０２の発光面１１６の形状を車両の前方に投影し、領域３０６を形成する。レンズ２０４は、この発光面１１６の形状を、水平方向に拡大して、投影してよい。
【００７９】
ここで、本例において、レンズ２０４は、発光面１１６の一辺３１０の上に焦点Ｆを有している。辺３１０は、発光面１１６における、水平方向に延伸する下辺である。また、レンズ２０４は、発光ダイオード素子１０２が発生する光を、光源ユニット２０の光軸を交差させて照射する。そのため、レンズ２０４は、発光面１１６の辺３１０の形状を、領域３０６の上辺の位置に投影する。
【００８０】
また、レンズ２０４は、領域３０６の上辺の少なくとも一部を、水平カットライン３０２の少なくとも一部を形成すべき位置に形成する。これにより、光源ユニット２０は、領域３０６により形成される明暗境界に基づき、水平カットライン３０２の少なくとも一部を形成する。本例によれば、配光パターンを適切に形成することができる。
【００８１】
図１０は、ＬＥＤモジュール１００の構成の更なる他の例を示す。尚、以下に説明する点を除き、図１０において、図３と同一の符号を付した構成は、図３における構成と同一又は同様の機能を有するため、説明を省略する。本例において、ＬＥＤモジュール１００は、複数の発光ダイオード素子１０２を有する。蛍光体層１０６は、複数の発光ダイオード素子１０２を覆うように設けられる。封止部材１０８は、複数の発光ダイオード素子１０２、及び蛍光体層１０６を封止する。
【００８２】
また、それぞれの発光ダイオード素子１０２におけるサファイア基板４１０の対向面１１０（図４参照）には、サブ波長格子１３２（図４参照）が形成されている。そのため、本例においても、発光ダイオード素子１０２は、蛍光体層１０６及び封止部材１０８へ、効率よく光を発生することができる。
【００８３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の一実施形態に係る車両用灯具１０の斜視図である。
【図２】車両用灯具１０の水平断面図である。
【図３】ＬＥＤモジュール１００の構成の一例を示す図である。
【図４】発光ダイオード素子１０２及び蛍光体層１０６の詳細な構成の一例を示す図である。
【図５】サブ波長格子１３２の機能の一例を説明する図である。
【図６】ＬＥＤモジュール１００を製造する製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図７】光源ユニット２０のＡＡ垂直断面図である。
【図８】光源ユニット２０のＢＢ垂直断面図である。
【図９】配光パターン３００の一例を示す概念図である。
【図１０】ＬＥＤモジュール１００の構成の更なる他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０・・・車両用灯具、１２・・・カバー、１４・・・ランプボディ、１６・・・回路ユニット、２０・・・光源ユニット、２２・・・ケーブル、２４・・・放熱部材、２６・・・ケーブル、２８・・・エクステンションリフレクタ、１００・・・ＬＥＤモジュール、１０２・・・発光ダイオード素子、１０４・・・電極、１０６・・・蛍光体層、１０８・・・封止部材、１０９・・・キャビティ、１１０・・・対向面、１１２・・・基板、１１４・・・裏面、１１６・・・発光面、１１８・・・保持部、１２０・・・出射面、１３２・・・サブ波長格子、１３４・・・凸部、１５４・・・拡大図、２０２・・・固定部材、２０４・・・レンズ、２０６・・・ハウジング、２０８・・・エクステンション、３００・・・配光パターン、３０２・・・水平カットライン、３０４・・・斜めカットライン、３０６・・・領域、３１０・・・辺、４０２・・・Ｎ型ＧａＮ層、４０４・・・ＩｎＧａＮ層、４０６・・・Ｐ型ＧａＮ層、４０８・・・半導体層、４１０・・・サファイア基板、４１２・・・電極、５００・・・基板、６０２・・・蛍光体粒子、６０４・・・バインダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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