(57)【要約】【課題】発光素子が発光した光を外部へ効率的に放射できるようにする。【解決手段】パッケージ１の凹部の内壁面７と底面とがなす角度θ１を、発光素子２から発光された直接光が透明材料６と空気との境界面に対して全反射を起こす入射臨界角θ２の±１５°の範囲とする。あるいは、角度θ１を入射臨界角θ２よりも小さくする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子が底面に配置された凹部と、
前記凹部に充填された透明材料と、を備え、
前記凹部の内壁面と底面とがなす角度を、前記発光素子から放射された直接光が前記透明材料と空気との境界面に対して全反射を起こす入射臨界角の±１５°の範囲としたことを特徴とする発光素子の外囲器。
【請求項２】
発光素子が底面に配置された凹部と、
前記凹部に充填された透明材料と、を備え、
前記凹部の内壁面と底面とがなす角度を、前記発光素子から放射された直接光が前記透明材料と空気との境界面に対して全反射を起こす入射臨界角よりも小さくしたことを特徴とする発光素子の外囲器。
【請求項３】
前記凹部は、リードフレームの上面電極の上部に配置されたものであって、
前記凹部の内壁面の一部に前記上面電極を露出させるための抉れ部を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子の外囲器。
【請求項４】
前記凹部は、その内壁面の反射率が６０％以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子の外囲器。
【請求項５】
内壁面と底面とがなす角度が前記凹部のものと同様で、かつ発光素子が底面に配置されていない別の凹部を前記凹部の周囲に１つ以上備え、
前記透明材料により、前記凹部および別の凹部の双方を覆うようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発光素子の外囲器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子が発光した光を外部へ放射するようにした発光素子の外囲器に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光素子の外囲器としては、例えば特許文献１に記載のものがある。この外囲器は、同文献の第８図に示されるように、内壁が傾斜した凹部の底面にリードフレーム７２の上面電極７２ａとリードフレーム７３の上面電極７３ａが配置される。発光素子５４の一方の電極が上面電極７２ａに接続され、発光素子５４の他方の電極がワイヤ５５を通じて上面電極７３ａに接続される。この凹部は透光性の封止樹脂５６により封止される。
【０００３】
このような構成により、同文献の外囲器は、発光素子５４が発光した光を封止樹脂５６を介して外部へ放射するようになっている。
【特許文献１】特開２００３−１６３３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の外囲器は、凹部における内壁と底面とがなす角度について光学的に何ら考慮されたものではなく、発光素子からの光を効率よく外部へ放射できるようにはなっていなかった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光素子が発光した光を効率的に外部へ放射し得る発光素子の外囲器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の本発明に係る発光素子の外囲器は、発光素子が底面に配置された凹部と、前記凹部に充填された透明材料と、を備え、前記凹部の内壁面と底面とがなす角度を、前記発光素子から放射された直接光が前記透明材料と空気との境界面に対して全反射を起こす入射臨界角の±１５°の範囲としたことを特徴とする。
【０００７】
第２の本発明に係る発光素子の外囲器は、発光素子が底面に配置された凹部と、前記凹部に充填された透明材料と、を備え、前記凹部の内壁面と底面とがなす角度を、前記発光素子から放射された直接光が前記透明材料と空気との境界面に対して全反射を起こす入射臨界角よりも小さくしたことを特徴とする。
【０００８】
第１，第２の本発明にあっては、凹部の内壁面と底面とがなす角度を、発光素子から放射された直接光が透明材料と空気との境界面に対して全反射を起こす入射臨界角の±１５°の範囲とし、あるいは、この入射臨界角よりも小さくしたことで、内壁面での光の反射位置を頂点、境界面を底面とし、側面と底面とのなす角を入射臨界角とする取出円錐を透明材料中に完全に確保するようにして、この取出円錐の中にある光を全て外部へ取り出せるようにしている。
【０００９】
第３の本発明に係る発光素子の外囲器は、第１又は第２の本発明において、前記凹部が、リードフレームの上面電極の上部に配置されたものであって、前記凹部の内壁面の一部に前記上面電極を露出させるための抉れ部を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明にあっては、凹部の内壁面の一部にリードフレームの上面電極を露出させるための抉れ部を備えたことで、内壁面の勾配を小さくした場合でも発光素子の電極をリードフレームの上面電極にワイヤボンディングするためのスペースを確保できるようにしている。
【００１１】
第４の本発明に係る発光素子の外囲器は、第１乃至第３の本発明において、前記凹部の内壁面の反射率が６０％以上であることを特徴とする。
【００１２】
本発明にあっては、凹部の内壁面の反射率を６０％以上としたことで、凹部の内壁面で反射した光が外部へ放射し易いようにしている。
【００１３】
第５の本発明に係る発光素子の外囲器は、第１乃至第４の本発明において、内壁面と底面とがなす角度が前記凹部のものと同様で、かつ発光素子が底面に配置されていない別の凹部を前記凹部の周囲に１つ以上備え、前記透明材料により、前記凹部および別の凹部の双方を覆うようにしたことを特徴とする。
【００１４】
本発明にあっては、透明材料により、凹部および発光素子が配置されていない別の凹部の双方を覆うようにしたことで、透明材料と空気との境界面で全反射して内部に戻った光を凹部の周囲に配置した別の凹部の内壁面および底面で反射させて、外部へ放射し易いようにしている。また、別の凹部の反射面と底面とがなす角度を凹部のものと同様としたことで、光を外部へ放射し易いようにしている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の外囲器によれば、発光素子が発光した光を効率的に外部へ放射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態］
本実施の形態における発光素子の外囲器の構成について、図１の斜視図および図２の断面図を用いて説明する。本外囲器は、一般にＳＭＤ（surface mount device）型と呼ばれるものであり、受けた光を完全拡散反射に近い条件で反射する白色のＰＰＡ（ポリフタルアミド）樹脂製の枠構造のパッケージ１に凹部を備え、この凹部の底面に金属製のリードフレーム３の上面電極３ａ、リードフレーム４の上面電極４ａがそれぞれ配置される。上面電極３ａの上にはＬＥＤ（Light Emitting Diode）等による発光素子２の一方の電極が導電材料を用いて接続され、発光素子２の他方の電極はワイヤ５を介して上面電極４ａに接続される。この状態で、凹部には透光性のあるエポキシ樹脂等の透明材料６が充填される。透明材料６と空気との境界面（以下、単に「境界面」という）は、凹部の底面に対して平行である。ワイヤ５は、例えば金製とする。
【００１８】
図３に示すように、本外囲器では、凹部の内壁面７が底面となす角度θ１を、発光素子２から放射された直接光が境界面に対して全反射を起こす入射臨界角θ２に一致させている。
【００１９】
例えば、透明材料６にエポキシ樹脂を用いた場合、その屈折率はおおよそｎ＝１．５であり、空気の屈折率ｎ＝１よりも大きい。この場合、エポキシ樹脂と空気との境界面における入射臨界角はθ２＝４９°であり、発光素子２から境界面に４９°よりも大きな入射角で入射する光は屈折しながらも外部へ放射されるが、４９°よりも小さな入射角で入射する光は、全反射して凹部の内部に戻る。つまり、発光素子２からの直接光としては、発光素子２の位置を頂点、境界面を底面とし、側面と境界面とのなす角度が４９°の取出円錐８０の内部にある光だけを外部に取り出せることになる。取出円錐８０の内部にある直接光は、凹部の内壁面や境界面での反射によって減衰することなく空気層側へ放射される。
【００２０】
一方で、外部に取り出せる光としては、発光素子２からの直接光の他に、凹部の内壁面７で反射した光がある。内壁面７で反射した光をいかにして外部へ取り出すかということは、発光素子２からの光を効率的に外部へ放射する上で重要である。
【００２１】
本実施の形態では、内壁面７に当った光は拡散反射をするので全方位へ反射される。このとき、図４に示すように、内壁面７が凹部の底面に対して仮に垂直であったとすると、内壁面７における光の反射位置を頂点、境界面を底面とし、側面と境界面とのなす角度が４９°の取出円錐８１の内部にある光のうち、半分は内壁面７にかかってしまうため、外部に取り出せないことになる。
【００２２】
そこで、本実施の形態では、図５に示すように、内壁面７が凹部の底面となす角度θ１を入射臨界角θ２と一致させることで、取出円錐８１を透明材料６中に完全に確保し、取出円錐８１の中にある光を全て外部へ取り出せるようにする。
【００２３】
あるいは、図６に示すように、内壁面７の角度θ１を入射臨界角θ２よりも小さくする。この場合にも、取出円錐８１は透明材料６中に完全に確保されるので、取出円錐８１の中にある光を全て外部へ取り出すことができる。
【００２４】
一方で、内壁面７の角度θ１が入射臨界角θ２よりも極端に大きい場合や極端に小さい場合には、内壁面７で反射した光が境界面を透過できないことが多くなり、その光が再度透明材料６内に反射して戻ることになる。このような光は、透明材料６内で内壁面７や底面での反射を繰り返し、光路距離が長くなって減衰するため、外部へ取り出せる光量が減少することになる。このため、内壁面７の角度θ１については、適切な範囲内とすることが望ましい。
【００２５】
図７は、透明材料にエポキシ樹脂を用いたときの光量の取出し率の推移を示すグラフである。横軸は内壁面７の角度θ１（°）、縦軸は光量取出し率（％）である。縦軸は、内壁面７の角度θ１を７０°とした比較例の取出し光量を１００％としたときの相対値で示してある。同グラフから、内壁面７の角度θ１を入射臨界角の４９°に一致させた場合には、光量取り出し率は最大となり、その値は内壁面７の角度θ１が７０°の場合に対して２０％も向上することが確認された。また、内壁面７の角度θ１を入射臨界角の４９°±１５°の範囲内とした場合には、光量取出し率は１０％以上向上することが確認された。
【００２６】
ところで、上述したように内壁面７の勾配を小さくしていくと、図３に示すように、凹部底面におけるリードフレームの上面電極３ａ，４ａの露出面積が縮小することになる。これにより、上面電極３ａ，４ａによる光の吸収量が少なくなるという効果が得られる一方、発光素子２をＬＥＤとした場合は、ＬＥＤの電極をワイヤで上面電極４ａに接続することが多いため、上面電極４ａの表面にワイヤボンディングのためのスペースを確保する必要が生じる。
【００２７】
そこで、本実施の形態では、図１および図２に示すように、ワイヤボンディングのための必要最小限のスペースを確保するために、内壁面７にリードフレーム４の上面電極４ａに通じる抉れ部８を設け、発光素子２の一方の電極を抉れ部８によって露出された上面電極４ａにワイヤ５を介して接続した構成とする。
【００２８】
次に、比較例の外囲器について図８の斜視図と図９の断面図を用いて説明する。比較例の外囲器は、凹部の内壁面１７と底面がなす角度θ１’が７０°になっている構成である。内壁面１７の底面に対する勾配が大きいので、その分だけ上面電極３ａ，４ａが広く露出し、ワイヤボンディングがやり易くなっている。その一方で、内壁面１７で反射した光については、その反射の位置を頂点、側面を境界面とする取出円錐の一部が内壁面１７にかかるため、当該取出円錐の中の光を全て外部へ取り出すことはできない。また、上面電極３ａ，４ａの露出面積が広いので光の吸収量が大きく、この点からも外囲器の外部へ取り出せる光量が少なくなる。その他の部分については、本実施の形態の外囲器と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００２９】
したがって、本実施の形態によれば、凹部の内壁面７と底面とがなす角度θ１を、発光素子２から放射された直接光が透明材料６と空気との境界面に対して全反射を起こす入射臨界角θ２に一致させることで、内壁面７での光の反射位置を頂点、境界面を底面とし、側面と底面とのなす角を入射臨界角θ２とする取出円錐８１が透明材料６中に完全に確保されるようになるので、取出円錐８１の中にある光を全て外部へ取り出すことができ、もって発光素子２からの光を効率的に外部へ放射させることができる。
【００３０】
本実施の形態によれば、凹部の内壁面７と底面とがなす角度θ１を入射臨界角θ２よりも小さくしたことで、上記と同様の効果を奏することができる。
【００３１】
本実施の形態によれば、凹部の内壁面７と底面とがなす角度θ１を入射臨界角θ２の±１５°の範囲内としたことで、上記と同様の効果を奏することができると共に、内壁面７の角度θ１が大きすぎたり小さすぎることによる光量取出し率の低下を防ぐことができる。
【００３２】
本実施の形態によれば、上記のように凹部の内壁面７の勾配を小さくしたことで、リードフレームの上面電極３ａ，４ａの露出面積が縮小するので、上面電極３ａ，４ａによる光の吸収量を少なくでき、もって発光素子２が発光した光を外部へ効率的に放射させることができる。
【００３３】
本実施の形態によれば、凹部の内壁面７の一部に、リードフレーム４の上面電極４ａを露出させるための抉れ部８を備えたことで、内壁面７の勾配を小さくした場合でも発光素子２の電極を上面電極４ａにワイヤボンディングするスペースを確保することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態においては、透明材料６の一例としてエポキシ樹脂を用いることとしたが、これに限られるものではない。透明材料６と空気との境界面における全反射が起こり始める入射臨界角θ２は、透明材料６の屈折率によって変わるので、エポキシ樹脂以外の透明材料を用いた場合や、複数の透明材料を混合した場合には、各々の材料における光の屈折率から入射臨界角θ２を求めた上で、凹部の内壁面７と底面とがなす角度θ１を決定するようにする。
【００３５】
［第２の実施の形態］
前述したように、凹部の内壁面７で反射した光をいかにして外部へ取り出すかということは、発光素子２からの光を効率的に外部へ放射する上で重要である。本実施の形態では、凹部の内壁面７の反射率を６０％以上とすることで、光を効率的に外部へ放射できるようにする。なお、本実施の形態における発光素子の外囲器の基本的な構成については、第１の実施の形態におけるものと同様であるので、ここでは重複した説明は省略し、内壁面７の反射率についてだけ説明する。
【００３６】
図１０は  凹部における内壁面の反射率と発光効率の向上率との関係を示すグラフである。横軸は内壁面７の反射率であり、縦軸は内壁面の底面に対する角度が７０°の外囲器における光束の光取出効率に対して、この角度を４９°としたときの光取出効率の向上率である。
【００３７】
同図のグラフに示すように、内壁面の反射率を６０％以上とすることで、光取出効率は２０％向上することが確認された。もちろん、光取出効率の向上の程度は、透明材料６の屈折率にも依存するが、この屈折率が１．５程度の場合には２０％以上の効率向上を保証することができる。
【００３８】
したがって、本実施の形態によれば、内壁面の反射率を６０％以上とすることで、光を効率的に外部へ放射することができる。
【００３９】
［第３の実施の形態］
上記各実施の形態で説明した発光素子の外囲器を複数用意し、規則的に配列して基板上に半田付けした場合には、外部からは各外囲器が点光源として見える。しかし、人間の感覚は、連続した面光源を好む傾向があるため、点光源として見えてしまうのでは不都合である。所定の面積をもつ面光源として見せるためには、例えば、外囲器の透明材料の表面に拡散板を配置して光を拡散させることが考えられるが、この場合は部品数が増加し、コストが増加する原因となる。また、光をより多く拡散できるように、凹部を深くして内壁面の面積を大きくすることが考えられるが、この場合は外囲器の厚みが増加し、外囲器を基板の表面に実装しにくくなるという問題がある。
【００４０】
そこで、本実施の形態では、厚みが薄い構造で面光源として利用し得る発光素子の外囲器について説明する。
【００４１】
図１１の斜視図および図１２の断面図に示すように、本実施の形態における発光素子の外囲器は、白色のＰＰＡ樹脂製の大型枠構造のパッケージ１１の表面中央に凹部１００を備え、この凹部１００の底面に金属製のリードフレーム１３の上面電極１３ａが配置される。上面電極１３ａの上には発光素子２の一方の電極が導電材料を用いて接続され、発光素子２の他方の電極はワイヤ５を介してリードフレーム１４の上面電極１４ａに接続される。
【００４２】
凹部１００の構成は、上記各実施の形態における外囲器の凹部と同様であり、凹部１００の内壁面と底面とがなす角度を、発光素子２から放射された直接光が透明材料１６と空気との境界面に対して全反射を起こす入射臨界角に一致あるいはこの入射臨界角よりも小さくし、あるいは入射臨界角の±１５°の範囲内とした構成である。
【００４３】
パッケージ１１は、凹部１００の周囲に、内壁面と底面とがなす角度が凹部１００のものと同様で、かつ発光素子２が底面に配置されていない別の凹部を１つ以上備える。図１１では、一例として凹部１００の周囲に浅く円周が小さめの凹部１０１〜１０７を備えるとともに、その外側にはさらに浅く小さめの凹部１１１〜１２０を備えた構成を示している。
【００４４】
透明材料１６は、これら全ての凹部を覆うように配置される。透明材料６には例えばエポキシ樹脂を用いるものとし、屈折率を１．５とする。第１の実施の形態でも説明したように、透明材料１６の屈折率が１．５の場合には、凹部１００の内壁面の角度を入射臨界角４９°に一致させることで、光量取り出し率は最大となる。
【００４５】
図１２の断面図に示すように、発光素子２が発し、透明材料１６と空気との境界面で反射した光は、その一部が発光素子２が搭載されている凹部１００の反射面で拡散反射される。境界面で反射した残りの光の一部と、凹部１００の反射面で拡散反射したのち再び境界面で反射した光の一部は、凹部１００の外側に配置された凹部１０１〜１０７の反射面で拡散反射し、その一部は境界面から外へ出る。続いて、さらに外側の凹部１１０〜１２０においても同様に反射面で一部の光が拡散反射し、その一部が境界面から外へ出る。
【００４６】
したがって、本実施の形態によれば、透明材料１６により凹部１００および発光素子が配置されていない別の凹部１０１〜１２０の双方を覆うようにしたことで、透明材料１６と空気との境界面で反射して内部に戻った光が別の凹部１０１〜１２０の内壁面および底面で拡散反射するようになるので、光が外部へ放射し易くなるとともに、凹部を深くすることなく薄い厚みの構造で、外囲器が放射する光が全体として面的な広がりを持つようにでき、輝きがソフトになり、人間の眼に対して優しくすることができる。また、厚さが薄いので、本外囲器は、基板への表面実装に適した構成である。
【００４７】
本実施の形態によれば、凹部１００および別の凹部１０１〜１２０の内壁面と底面とがなす角度を、発光素子２から放射された直接光が透明材料１６と空気との境界面に対して全反射を起こす入射臨界角に一致あるいはこの入射臨界角よりも小さくし、あるいは入射臨界角の±１５°の範囲内としたことで、発光素子２からの光を効率的に外部へ放射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１の実施の形態における発光素子の外囲器の構成を示す斜視図である。
【図２】上記外囲器の構成を示す断面図である。
【図３】上記外囲器について凹部の内壁面が底面となす角度を説明するための図である。
【図４】凹部の内壁面が底面となす角度を垂直としたときに外部へ取り出せる反射光を説明するための図である。
【図５】凹部の内壁面が底面となす角度を、発光素子からの光が透明材料と空気との境界面で全反射を起こす入射臨界角に一致させたときに外部へ取り出せる反射光を説明するための図である。
【図６】凹部の内壁面が底面となす角度を、発光素子からの光が透明材料と空気との境界面で全反射を起こす入射臨界角よりも小さくしたときに外部へ取り出せる反射光を説明するための図である。
【図７】内壁面の底面に対する角度を変えたときの境界面から取り出せる光量の取出し率の推移を示すグラフである。
【図８】比較例の外囲器の構成を示す斜視図である。
【図９】比較例の外囲器について発光素子から放射された光の状態を説明するための図である。
【図１０】第２の実施の形態における凹部の内壁面の反射率と発光効率の向上率との関係を示すグラフである。
【図１１】第３の実施の形態における発光素子の外囲器の構成を示す斜視図である。
【図１２】図１１の外囲器における光反射の様子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１，１１…パッケージ，２…発光素子
３，１３，４，１４…リードフレーム
３ａ，１３ａ，４ａ，１４ａ…上面電極
５…ワイヤ，６，１６…透明材料
７…内壁面，８…抉れ部
【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】
2005167174.tif 000009
【図８】
2005167174.tif 000010
【図９】
2005167174.tif 000011
【図１０】
2005167174.tif 000012
【図１１】
2005167174.tif 000013
【図１２】
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