(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性材料内に封止された発光素子を有する複数の発光ダイオードと、該複数の発光ダイオードが表面実装された一つまたは複数の基板と、前記複数の発光ダイオードのそれぞれに対応し、且つ発光ダイオードの光の放射方向に配置される複数の光学手段とを備える光源装置において、
前記複数の光学手段は、一体化された状態で配置され、
前記光学手段は、対応するそれぞれの発光ダイオードの中心軸線周りに曲線を回転して得られる回転曲面からなる反射凹面を含めて構成されるとともに、前記反射凹面の中心軸線が対応するそれぞれの発光ダイオードの中心軸線と同軸上に配置され、
前記反射凹面の形状は、前記対応する発光ダイオードからの光を反射して前記中心軸線を中心として前記基板に貫通形成された環状の光学的開口部内に集光させる形状に設定され、
前記複数の発光ダイオードから発せられた光が対応するそれぞれの前記反射凹面で反射され、途中遮られることなく前記光学的開口部を介して外部に放射される
ことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光源装置において、
前記反射凹面は、前記光学的開口部内の径方向の中間点を一つの焦点とし、前記発光ダイオードをもう一つの焦点とする楕円弧について、これを前記中心軸線の周りで回転させることにより得られる形状に設定される
ことを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光源装置において、
前記基板は、前記光学的開口部を除いた部分が遮光部として構成されるものである
ことを特徴とする光源装置。
【請求項４】
複数の発光ダイオードが表面実装された基板を備える光源装置の製造方法において、
対応する発光ダイオードの中心軸線周りに曲線を回転して得られる回転曲面からなる反射凹面を含み、該反射凹面の中心軸線が前記発光ダイオードの中心軸線と同軸となるように構成されるとともに、該反射凹面の形状が、前記対応する発光ダイオードからの光を反射して前記中心軸線を中心として前記基板に貫通形成された環状の光学的開口部内に途中遮られることなく集光させて前記光学的開口部を介して外部に放射される形状に設定される光学手段について、該光学手段が複数一体化されてなる光学手段群を複数準備する工程と、
光透過性材料内に封止された発光素子を有する複数の発光ダイオードを基板上に表面実装する工程と、
前記複数の光学手段群を前記発光ダイオードの光の放射方向において互いに隣接させた状態で配置することにより、前記基板上に表面実装された前記複数の発光ダイオードと、前記複数の光学手段群を構成する複数の光学手段のそれぞれとを対応させる工程とを備えてなる
ことを特徴とする光源装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードを利用した光源装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
基板上に多数個の発光ダイオード（ＬＥＤ）を配列した光源装置が、照明用、ディスプレイ用あるいは信号用等に使用されている。かかる光源装置用のＬＥＤとしては、十分な配光特性が得られるとの理由からφ５ｍｍサイズのレンズ型ＬＥＤが広く用いられている。このレンズ型ＬＥＤでは、半導体発光素子が発する光をレンズ部で集光し、ある程度の指向性を持たせて外部放射させる設計となっている。このため、外部放射可能な複数のＬＥＤを基板上に配列することにより、およそＬＥＤ単体の特性に対し、実装ＬＥＤ数の倍数の光学特性を理論上期待することができる。
【０００３】
しかしながら、理論通りの光学特性を実現することは、実際には困難である。
その理由として第１に、個々のレンズ型ＬＥＤにおける軸精度の低さという問題がある。特にポッティングモールドで作られたレンズ型ＬＥＤでは、軸精度の問題が避け難い。第２に、複数のレンズ型ＬＥＤを基板上に実装する際、各ＬＥＤの向きや高さを精度よく揃えることは必ずしも容易ではないという問題がある。
特に、ディスクリート実装の場合には、各ＬＥＤの放射光の軸線を同一方向に揃えるためには、個別の調整作業が必要となることが多い。
【０００４】
この辺りの事情を、レンズ型ＬＥＤを各種の光源に適用した場合を例にとりさらに具体的に説明する。例えば図１０に示すように、従来のレンズ型ＬＥＤを用いた光源装置では、単一の実装基板７１に予め形成された孔７２に対しレンズ型ＬＥＤ７３のリード７４を差し込み、各リード７４を基板７１にハンダ付けして構成されている。
【０００５】
このような光源では、十分な輝度を確保すべく単位面積当りの実装密度を高めることが求められ、一つの実装基板７１に取り付けられるＬＥＤ７３の数は、信号灯具用の光源装置の場合で数百個にも及ぶことがある。また、例えばＣＣＤカメラでの撮影時に用いられる光源装置では、前記の信号灯具用の光源装置に比べて、単位面積当りにおけるＬＥＤ７３の実装密度がさらに高められている。この光源装置では、各ＬＥＤ７３が互いに接するような状態で実装基板７１上に実装されている。
【０００６】
ここで、図１０に示すようなレンズ型ＬＥＤ７３は、一般にポッティングモールドにより製造される。ポッティングモールドとは、図１１に示すように先端部に半導体発光素子７５をマウントするとともに、その半導体光学素子７５とボンディングワイヤ７６を介して導通させた一対のリード７４を樹脂成形ケース（ポット）７７内に配置し、そこへ液状の樹脂を流し込み熱硬化させることで、半導体発光素子７５を透明な樹脂からなるレンズ７８（図１０参照）内に封止してなるＬＥＤを製造する手法をいう。このポッティングモールドの概要は、例えば特開平７−１８３４４０号公報に開示されている。ポッティングモールドで作られたレンズ型ＬＥＤ７３にあっては、樹脂製のレンズ７８から一対のリード７４がレンズ７８の軸方向に沿って平行に延びる格好となる。
【０００７】
この従来型のＬＥＤ光源には、次のような欠点が指摘されている。まず、ディスクリート実装において、前記ＣＣＤカメラでの撮影時に用いられる光源装置のように、実装密度が極めて高くなった場合には、自動機（またはロボット）を用いた自動密実装は困難である。このため、どうしても極めて高密度のディスクリート実装を行うためには、人手に頼らざるを得ない場合が多い。一般に手作業では、その実装作業に多大な手間がかかる。また、基板に取り付けるレンズ型ＬＥＤの高さや取り付け角度を均一に揃えることが難しく、ＬＥＤの高さや取り付け角度が不揃いとなり易い。このため、ＬＥＤの集合体が本来の明るさを十分に発揮できないことがある（配光特性の不安定化）。そして、その配光特性の調整にさらに多大な手間がかかるという問題があった。
【０００８】
また、特開平７−１８３４４０号公報にも指摘されているように、一般にポッティングモールドにおいては、樹脂のキャスティングの際にポット７７に対してリード７４（及びそのフレーム）が傾き易く、できあがった個々のＬＥＤ７３において、レンズ７８の中心軸と発光素子７５からの放射光の光軸との間にズレが生じ易い。つまり、取付け部品であるレンズ型ＬＥＤ７３自体の軸精度を高めることが難しい。
【０００９】
このように、レンズ型ＬＥＤ７３を基板７１にディスクリート実装する際に人手がかかることは言うに及ばず、実装後においても、各ＬＥＤ７３からの光の放射方向を揃えるべく、個々のＬＥＤ７３の取付け角度を人手で微調節する等の個別の修正作業が不可欠とされており、その生産性の低さが問題となっている。
【００１０】
ところで、発光素子に対するレンズの高い位置精度を確保しながらＬＥＤを製造する方法としては、例えばトランスファモールドを適用することが従来から提案されている。このトランスファモールドでは、発光素子を樹脂封止する際にリードフレームが上下一対の金型により挟持固定された状態で、その金型のキャビティ内に液状の樹脂を流し込んでレンズ部を形成する。
【００１１】
しかしながら、このトランスファモールドで製造したＬＥＤにおいても、十分な配光効果を得ようとすれば、レンズ部をφ５ｍｍ以上に形成する必要がある。
ここで、トランスファモールドで製造したＬＥＤでは、前述したポッティングモールドにより製造され、ほぼ同サイズのレンズ７８を有するＬＥＤ７３に比べて封止樹脂量が多くなることがある。このため、ＬＥＤの実装時において、ＬＥＤのリードを基板上に固定するクリームハンダの熱硬化処理での熱履歴により、封止樹脂が大きく熱変形され、ボンディングワイヤの断線等の不都合が生じることがあった。
【００１２】
本発明の目的は、全体として配光特性の向上又は安定化を図りつつ、従来よりも生産性を高めることが可能な光源装置を提供することにある。また、そのような光源装置の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１に記載の発明は、光透過性材料内に封止された発光素子を有する複数の発光ダイオードと、該複数の発光ダイオードが表面実装された一つまたは複数の基板と、前記複数の発光ダイオードのそれぞれに対応し、且つ発光ダイオードの光の放射方向に配置される複数の光学手段とを備える光源装置において、前記複数の光学手段は、一体化された状態で配置され、前記光学手段は、対応するそれぞれの発光ダイオードの中心軸線周りに曲線を回転して得られる回転曲面からなる反射凹面を含めて構成されるとともに、前記反射凹面の中心軸線が対応するそれぞれの発光ダイオードの中心軸線と同軸上に配置され、前記反射凹面の形状は、前記対応する発光ダイオードからの光を反射して前記中心軸線を中心として前記基板に貫通形成された環状の光学的開口部内に集光させる形状に設定され、前記複数の発光ダイオードから発せられた光が対応するそれぞれの前記反射凹面で反射され、途中遮られることなく前記光学的開口部を介して外部に放射されることを要旨としている。
【００１４】
まず「表面実装」とは、発光ダイオードから延びるリードを挿入するための孔や凹部を基板に形成することなく、基板の表面に発光ダイオードを直接固定する実装手法をいい、少なくともディスクリート実装を含まない概念である。この光源装置によれば、基板には各発光ダイオードが表面実装されることから、単位面積当りの実装密度を高めつつ自動機による自動実装が容易になるとともに、発光ダイオードの取付け高さや取付け角度をほぼ均一に揃えることが容易になる。
【００１５】
加えて、基板上の複数の発光ダイオードのそれぞれに対応して光学手段が具備されている。このため、光源における配光制御を発光素子と一体化されたレンズ部のみで行う必要がない。このため、発光ダイオードに一体的に形成されるレンズを小型化することができるとともに、発光素子とレンズとの位置精度を厳密に制御する必要がない。また、従来、密実装が必要であるため自動実装が困難であったような構成であっても、発光ダイオードの数を減らすことなく、隣接配置される発光ダイオード間の間隔を広げることができ自動実装も可能となる。
【００１６】
しかも、各光学手段は互いに光学手段群として一体化されている。つまり、一つの光学手段群に設けられた個々の光学手段の相対位置関係は各光学手段群毎に確定しており、光学手段群の位置合わせを行うのみで各発光素子から放射された光の十分な配光制御を実現することができる。従って、各発光ダイオードから発される光を、対応する光学手段によってほぼ所望した通りに配光制御でき、当該光源装置全体としての光学特性を理論上の特性に近づけることが可能となる。
【００１７】
このように、基板への発光ダイオードの表面実装と、各発光ダイオードに対応するように各光学手段を一体化したこととの相乗効果により、配光特性に優れた光源装置を効率的に量産することができる。
また、光学手段として反射面を有する光源装置において良好な配光特性を実現することができる。
さらに上記発明によれば、各発光ダイオードが発する光量のほぼ全てがそれと対応する反射凹面によって受光され、その反射凹面での反射光は環状の集光領域内に集められ、かつ該集光領域を通過して外部に投光される。環状の集光領域は前記中心軸線から所定距離だけ離れて存在するため、該中心軸線上に位置する発光ダイオードが反射凹面での反射光を捕らえることはない。そして、発光ダイオードから発された光が外部に投光されるまでに、その光路には光を遮る内部構造はほとんど存在しない。このように、発光ダイオードが発する光量のほぼ全てが有効に外部に投光されるため、光の外部放射効率が極めて高い。
また、各発光ダイオードから発された光は、反射凹面で反射後、環状集光領域を介して外部に投光されるため、光源装置の正面側から見れば、一つの発光ダイオードから一定の面積を占める環状または円弧状の光の帯が作り出される。光源装置は複数の発光ダイオード及びそれらに対応する複数の反射凹面を備えているため、光源装置全体として、その正面側全体が均一な光で満たされているが如き視覚的効果を生み出す。このことは、発光ダイオードの実装密度を過度に高めなくとも、発光面（光源装置の正面）の全体を隙間のない自然な外観とすることを可能とする。
【００２４】
（２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光源装置において、前記反射凹面は、前記光学的開口部内の径方向の中間点を一つの焦点とし、前記発光ダイオードをもう一つの焦点とする楕円弧について、これを前記中心軸線の周りで回転させることにより得られる形状に設定されることを要旨としている。
【００２５】
この構成に従う反射凹面は、発光ダイオードと、その中心軸線から径方向に所定距離だけ離れた集光領域とを両焦点とする楕円弧を前記中心軸線の周りに回転させて得られる楕円面に準じた凹面として提供される。この構成によれば、発光ダイオードから発された光の反射凹面での反射光を楕円弧の焦点位置にある集光領域に集束させて、集光領域を通過する光束の光量や輝度を高めることが可能となる。
【００２６】
（３）請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光源装置において、前記基板は、前記光学的開口部を除いた部分が遮光部として構成されるものであることを要旨としている。
【００２７】
この光源装置では、各発光ダイオードから発された光がそれと対応する反射凹面で反射されて光学的開口部及び集光領域に到達するという光路を想定した構造設計となっている。このため、非点灯時に外部から光学的開口部に入射した外光が前記光路を逆にたどるかたちで光源装置内に進入したとしても、反射凹面で反射された外光は、発光ダイオードに照射されそこで吸収または乱反射される。装置内で乱反射を繰り返す光の多くは、基板の遮光部によって遮られ光学的開口部を介して再び外に出る光路に乗ることができない。故に、この光源装置内に進入した外光が、再び前記光路をたどって光学的開口部から外に出る確率は極めて低い。つまり、非点灯時において反射凹面が外光由来の光線を光学的開口部に向けて反射する割合は極めて低く、反射凹面がいわゆるダークノイズの顕在化要因とならない。このため、本件光源装置によれば、信号灯具等で問題になるダークノイズを効果的に回避することができる。
【００２８】
（４）請求項４に記載の発明は、複数の発光ダイオードが表面実装された基板を備える光源装置の製造方法において、対応する発光ダイオードの中心軸線周りに曲線を回転して得られる回転曲面からなる反射凹面を含み、該反射凹面の中心軸線が前記発光ダイオードの中心軸線と同軸となるように構成されるとともに、該反射凹面の形状が、前記対応する発光ダイオードからの光を反射して前記中心軸線を中心として前記基板に貫通形成された環状の光学的開口部内に途中遮られることなく集光させて前記光学的開口部を介して外部に放射される形状に設定される光学手段について、該光学手段が複数一体化されてなる光学手段群を複数準備する工程と、光透過性材料内に封止された発光素子を有する複数の発光ダイオードを基板上に表面実装する工程と、前記複数の光学手段群を前記発光ダイオードの光の放射方向において互いに隣接させた状態で配置することにより、前記基板上に表面実装された前記複数の発光ダイオードと、前記複数の光学手段群を構成する複数の光学手段のそれぞれとを対応させる工程とを備えてなることを要旨としている。
【００２９】
上記発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置の製造方法に関するものであり、その技術的意義は前述の通りである。なお、この方法において、基板に表面実装される発光ダイオードがトランスファーモールド法により製造されていることが好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１参考例）
図１及び図２は、例えば照明用光源として使用可能な第１参考例の光源装置を示す。この光源装置は、単一の基板１５と、その基板１５上に実装される複数の発光ダイオード３０（以下、ＬＥＤ３０という）の放射方向に、前記基板１５から所定間隔を隔てて配置される複数の光学素子群としての光学基体２０とを備えている。光学基体２０の各々は、光学手段としての透過型レンズ（アウターレンズ）２５を複数個まとめて一体化したものである。
【００３１】
図１に示すように、基板１５上には、複数の発光ダイオード３０（以下、ＬＥＤ３０という）が、互いに水平方向に所定間隔を隔てて配置されている。各ＬＥＤ３０の中心軸線をＺとすると、これらＬＥＤ３０は図１及び図２に示すように各中心軸線Ｚが格子点位置を占めるように配置されている。
【００３２】
ここで使用するＬＥＤ３０は、トランスファーモールド法により製造したレンズ型のＬＥＤである。トランスファーモールド法とは、例えば図３に示すように、上金型４１と下金型４２との間に形成されたキャビティ４３（付形室）内に、半導体発光素子３１のマウント及びワイヤボンディングを終えたリード又はリードフレーム３２を予め配置し、そこへ液状の光透過性材料（例えば透明エポキシ樹脂）３３を注入しその後熱硬化させることで、半導体発光素子３１を光透過性材料３３内に封止した発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する手法をいう。なお、液状の光透過性材料は、リードフレーム３２に沿ってキャビティ４３内に注入可能である。
【００３３】
図３の手法で作られるＬＥＤ３０では、光透過性材料３３内に封止された発光素子３１に電気的に接続された一対のリード３２が、光透過性材料部分から左右水平方向（すなわち中心軸線Ｚと略直交する方向）へ延び出る格好となる。また、発光素子３１を覆っている半球状の光透過性材料部分は、一種の集光レンズとして機能する。
【００３４】
各ＬＥＤ３０は、基板１５の表面（図示しない給電パターンが予め形成されている）に対し、例えばクリームハンダを用いて表面実装される。この場合の表面実装とは、具体的には基板１５上に露出している給電パターンの上にクリームハンダを盛り上げ、そこにＬＥＤ３０から延びる各リード３２を埋め込み、その後基板全体をリフロー炉で加熱してクリームハンダを熱硬化させることにより、リード３２と給電パターンとの電気的結合を図るとともに、基板１５に対しＬＥＤ３０を固定することをいう。
【００３５】
図２に示すように、前記複数の光学基体２０の各々は平面正方形状をなしている。これら光学基体２０は互いに前後左右に隣接配置されており、その隣接配置の結果得られた光学基体２０群の平面形状及びその占有面積は、前記単一の基板１５の平面形状及びその占有面積にほぼ対応する。つまり各光学基体２０は、その複数個を予め定められた配置方法で組み合わせることにより平面的に見て基板１５と同形同大の光学基体２０群を構成し得るような分割片として設計されている。この参考例では、一片の光学基体２０は、縦３列及び横３列に配列された９つのアウターレンズ２５を備えている。この一片の光学基体２０に対応する基板１５の正方形領域内には、縦３列及び横３列の格子点配置をとる９個のＬＥＤ３０が設けられており、基板１５上のＬＥＤ３０と光学基体２０のアウターレンズ２５とは１対１対応の関係にある。
【００３６】
各アウターレンズ２５は、対応するＬＥＤ３０からの光を屈折させ中心軸線Ｚに平行な平行光として透過させるような凸レンズ形状をなしている。もちろん、アウターレンズ２５の凸レンズ形状や光学的特性を適宜変更することにより、透過光の配向性を任意に調節可能である。なお、アウターレンズ２５の集光効果を有効なものとするとともに基板１５上における十分な実装密度を確保するためには、アウターレンズ２５の平面積を、対応するＬＥＤ３０の放射面の面積の４倍以上に設定することが好ましい。
【００３７】
この第１参考例によれば、以下のような効果を得ることができる。
・  トランスファーモールド法で製造したＬＥＤ３０は、発光素子３１とそれを覆っている光透過性材料の半球状レンズ部分との間の位置精度が高い。つまりＬＥＤ３０のレンズ部分の中心軸と、発光素子３１から発される放射光の中心軸とがよく一致する。それ故、ＬＥＤ３０自体で配光特性に優れている。
【００３８】
・  加えて、トランスファーモールド法で製造したＬＥＤ３０は、リード３２がＬＥＤ３０の中心軸線Ｚと略直交する方向へ延びる格好となるので、基板１５上への表面実装が行いやすく、自動機による高密度実装も可能である。このため、基板１５上でのＬＥＤ３０の配置精度が高まり、光源装置全体としての配光特性が改善される。
【００３９】
・  各ＬＥＤ３０の発光素子３１から発された光は、そのＬＥＤ３０の半球状レンズ部分による配光制御と、対応するアウターレンズ２５による配光制御との二段階配光制御を経て外部に投光される。このため、ＬＥＤ３０の半球状レンズ部分の指向性を無理に強める必要がない。すなわち、一般的にレンズ型ＬＥＤ自体の光の指向性を無理に強めると、ＬＥＤ単体での光の外部放射効率が低下する傾向がみられる。これに対し、本参考例では、ＬＥＤ３０での光の指向性を無理に強める必要がなく、配光制御をアウターレンズ２５で補完できるため、光源装置全体としての外部放射効率が向上する。また、二段階配光制御となるので、光源装置に所望の配光特性を付与することが容易となる。
【００４０】
・  各ＬＥＤ３０は、配光制御をアウターレンズ２５で補完できるため、個々に独立した小型の樹脂製品とすることができる。そして、その一つ一つが基板１５上に表面実装される。このため、大きな樹脂レンズを有するＬＥＤを使用する場合に比べ、このＬＥＤ３０では、リフロー炉内での加熱及びその後の冷却に基づく樹脂の熱膨張及び熱収縮を小さく抑えることができる。従って、このＬＥＤ３０では、樹脂の熱膨張及び熱収縮に起因して、ボンディングワイヤが断線する危険性が低くく抑えることができる。
【００４１】
・  基板１５に対しＬＥＤ３０を表面実装することから、単位面積当りの実装密度を高めつつ自動機による自動実装が可能になるとともに、ＬＥＤ３０の取付け高さや取付け角度を基板１５を基準としてほぼ均一に揃えることができる。加えて、基板１５上の９個のＬＥＤ３０に対応した９つのアウターレンズ２５を一つの光学基体２０が具備しており、各光学基体２０が互いに隣接配置されてできる光学基体２０群が単一の基板１５と対向する構成となっている。つまり、一つの光学基体２０に設けられた個々のアウターレンズ２５の相対位置関係は各光学基体毎に確定しているため、これら光学基体２０間の隣接配置関係を正確に規定しさえすれば、基板１５側のＬＥＤ３０と光学基体２０群側のアウターレンズ２５とを１対１の対応関係で正確に位置決めすることができる。従って、各ＬＥＤ３０から発される光を、対応するアウターレンズ２５によってほぼ所望した通りに配光制御でき、光源装置全体としての光学特性を理論上の特性に近づけることが可能となる。
【００４２】
このように、基板１５に対するＬＥＤ３０の表面実装の採用と、９つのアウターレンズ２５を一つの光学基体２０に一体化する構成の採用との相乗効果により、光源装置の配光特性の改善を図りつつ、光源装置の効率的量産（作業時間及び手間の低減）を図ることができる。
【００４３】
（第２参考例）
図４は、例えば照明用光源として使用可能な第２参考例の光源装置を示す。
この光源装置は、単一の透明な基板１４と、その基板１４から所定間隔を隔てて配置された複数の光学基体２０とを備えている。光学基体２０の各々は、光学手段としての反射凹面２４が複数個まとめて形成された一体物である。
【００４４】
基板１４は光透過性材料からなり、その基板１４の下面（各光学基体２０と向き合う面）には、図示しない給電パターンがスクリーン印刷にて形成され、その給電パターン上に複数のＬＥＤ３０が表面実装されている。前記第１参考例と同様、各ＬＥＤ３０の中心軸線Ｚが格子点位置を占めるように、ＬＥＤ３０は配置されている。
【００４５】
本参考例で使用するＬＥＤ３０もトランスファーモールド法によって製造されている。各ＬＥＤ３０は半球状発光部３４を有し、その発光部３４の中心に半導体発光素子（図示略）が位置する。その発光素子から発される光線はいずれも半球部３４の表面に直角に入射するため、光線が半球部表面から外に向かう際には屈折しない。
【００４６】
各光学基体２０が平面正方形状をなすこと、及び、これらを前後左右に隣接配置して得られる光学基体２０群が前記単一の基板１４と所定間隔を隔てて配置されることは、前記第１参考例と同じである。第１参考例と異なる点は、基板１４上の各ＬＥＤ３０と１対１で対応する光学手段として、各光学基体２０には複数の反射凹面２４が形成されている点にある。
【００４７】
一つの光学基体２０は、前記第１参考例と同様、縦３列及び横３列に配列された９つの反射凹面２４を備えている。本参考例の各反射凹面２４は、対応するＬＥＤ３０の中心軸線Ｚの周りにおいて、ＬＥＤ３０の発光中心を焦点とする放物線を回転して得られる回転放物面に沿って形成されている。このため、回転放物面の焦点位置にあるＬＥＤ３０から発された光が反射凹面２４で反射されると、その反射光は中心軸線Ｚと平行な平行光となって基板１４に向けられる。もちろん、これ以外の反射面形状を採用して反射光の配向を変えてもよい。なお、反射凹面２４は、金属表面を鏡面仕上げすることにより、または物理的もしくは化学的蒸着によって金属膜を形成することにより提供できる。
【００４８】
本参考例では、各ＬＥＤ３０の半球状発光部３４が反射凹面２４を内壁面とする凹部２２の内側領域に包含されるように、基板１４と光学基体２０群との離間長が設定されている。それ故、各ＬＥＤ３０から横方向（水平方向）に放射される光も反射凹面２４で受けとめられ、有効に外部に投光される。
【００４９】
この第２参考例によれば、以下のような効果を得ることができる。
・  前記第１参考例と同様、トランスファーモールド法の採用によりＬＥＤ３０自体の配光特性が向上すること、自動機による表面実装が可能なこと、光源装置全体の配光特性の向上を図りつつ効率的量産が可能なこと等の優れた効果を得ることができる。
【００５０】
・  ＬＥＤ３０の半球状発光部３４が光学基体２０の凹部２２の内側領域に包含されるように基板１４と光学基体２０群との離間長を設定したことで、ＬＥＤ３０が発するほぼ全ての光を反射凹面２４で反射制御して外部放射することができる。それ故、光源装置の光の外部放射効率を向上させることができる。なお、本参考例では、基板１４に対しＬＥＤ３０を表面実装したことが、基板１４と光学基体２０群との近接配置を容易にしている。
【００５１】
（第１実施形態）
図５〜図９は、信号機用信号灯具の光源として使用される第１実施形態の光源装置を示す。図５〜図７に示すように、光源装置は、単一の基板１０と、その基板１０から所定間隔を隔てて対向する複数の光学基体２０とを備えている。光学基体２０の各々は、光学手段としての反射凹面２１が複数個まとめて形成された一体物である。
【００５２】
基板１０の下面（裏面）には、図示しない給電パターンがスクリーン印刷によって形成され、その給電パターン上には複数のＬＥＤ３０が、クリームハンダを用いて表面実装されている。これらＬＥＤ３０は、図５及び図６に示すように各中心軸線Ｚが格子点位置を占めるように配置されている。本実施形態で使用されるＬＥＤ３０もトランスファーモールド法によって製造されている。図８に示すように、各ＬＥＤ３０は、前記第２参考例と同様の半球状発光部３４を有するＬＥＤである。
【００５３】
図６に示すように、複数の光学基体２０の各々は平面正方形状をなしている。
これら光学基体２０は互いに前後左右に隣接配置されており、その隣接配置の結果得られた光学基体２０群の平面形状及びその占有面積は、前記単一の基板１０の平面形状及びその占有面積にほぼ対応する。つまり、各光学基体２０は、複数個を予め定められた配置方法で組み合わせることにより平面的に見て基板１０と同形同大の光学基体２０群を構成し得るような分割片として設計されている。
【００５４】
図５及び図６に示すように、一片の光学基体２０に対向する基板１０上のＬＥＤ３０の数は９個であり、その９個のＬＥＤ３０は、一片の光学基体２０と対向する正方形領域（図５に一点鎖線で示す）内にあって縦３列および横３列の格子点配置をとっている。各光学基体２０の上面側（基板１０と対向する側）には、その光学基体２０が管轄する９個のＬＥＤ３０にそれぞれ対応する９個の反射凹面２１が設けられている。
【００５５】
図８は、一つの反射凹面２１並びにそれに対応するＬＥＤ３０及び基板１０を拡大して示す。図８に示すように、光学基体２０には、対応するＬＥＤ３０の中心軸線Ｚを取り巻く環状の反射凹面２１が形成されている。この反射凹面２１は、中心軸線Ｚの一径方向断面において、ＬＥＤ３０を第１焦点とし、当該径方向断面内に存在する集光領域Ｄの一点を第２焦点として描かれる楕円弧（すなわち中心点Ｐ１から外縁点Ｐ２の間の曲線）を中心軸線Ｚの周りで回転させた場合に得られる回転楕円面に沿った三次元形状に設定されている。換言すれば、前記Ｐ１〜Ｐ２間曲線の中心軸線Ｚ周りでの集合体が一つの三次元反射凹面２１を構成している。この反射凹面２１は、ＬＥＤ３０に対し約２π（ｓｔｒａｄ）の立体角をもつ。
【００５６】
本実施形態では、各反射凹面２１を内壁面として構成される凹部２２の内側領域内にＬＥＤ３０の半球状発光部３４が包含されるように、基板１０と光学基体２０群との離間長が設定されている。このように、半球状発光部３４の全体が前記凹部２２の内側領域にすっぽりと収容されるため、半球状発光部３４の中心に位置する発光素子から発された光のほぼ全てが、反射凹面２１に達しそこで反射されて向きを変える。
【００５７】
反射凹面２１は、前述のように、中心軸線Ｚの一径方向断面においてＬＥＤ３０を第１焦点とし、かつ集光領域Ｄの一点を第２焦点として描かれる楕円弧を中心軸線Ｚの周りで回転させた場合に得られる三次元形状に設定されている。このため、図８に示すように、反射凹面２１からの反射光は、中心点Ｐ１から外縁点Ｐ２までの間の曲線上のいずれの反射点Ｐｘで反射されても、中心軸線Ｚを取り囲む環状の集光領域Ｄ（半径Ｒｄ）に集束される。
【００５８】
図５、図７及び図８に示すように、基板１０には、各反射凹面２１の中心軸線Ｚを中心とする円弧（半径Ｒｄ）に沿って設定された幅Ｗの光学的開口部１１が複数個貫通形成されている。各光学的開口部１１の設定基準として用いた前記円弧の半径は、環状集光領域Ｄの半径Ｒｄに一致する。その上で、円弧状の光学的開口部１１内に環状集光領域Ｄが包含されるように（つまり、光学的開口部１１と環状集光領域Ｄとがほぼ重なるように）、光学基体２０と基板１０との離間長が設定されている。
【００５９】
基板１０は、遮光性材料で構成され、前記光学的開口部１１以外の部分は遮光部または遮光板部分として機能する。なお、基板１０の表面及び裏面が黒く着色されることが好ましく、黒く着色された遮光部または遮光板部分は、そこに当たった光を吸収しまたは大きく減衰した状態で乱反射する。
【００６０】
各光学的開口部１１は完全な円環ではなく、その円環状領域の一部に光学的開口部１１よりも内側の遮光部と外側の遮光板部分とを連結する連結部１２を残した不完全な環形状をなしている。この連結部１２は、前記内側の遮光部を前記外側の遮光板部分に支持するための支持材として機能する。また、連結部１２の裏面は、ＬＥＤ３０と電源とをつなぐ給電線または給電パターンを通すための連絡経路を提供する。
【００６１】
この光源装置は、例えば図９の信号機を構成する３個の信号灯具の各々における光源として使用される。信号灯具の点灯時には、各ＬＥＤ３０から発された光は、対応する反射凹面２１で反射され、基板１０の光学的開口部１１内に設定された環状の集光領域Ｄに集束される。集められた光は集光領域Ｄを通過後、各光路の延長方向に発散しながら外部投光される。このとき微視的に見れば、各円弧状光学的開口部１１がＬＥＤ３０から発される光線の色で帯状に光って見える。
また、信号灯具を離れた位置から観察すれば、その正面側の全体がＬＥＤ３０の発光色と同じ色で均一な丸に光って見える。
【００６２】
他方、信号灯具の消灯時には、その正面側の全体が明瞭な黒色に見える。これは、外光（例えば西日）が基板１０の表面に照射されることがあっても、その大部分が基板１０によって吸収または減衰されるためである。また、仮に外光の一部が、基板１０の光学的開口部１１を通って装置内部の反射凹面２１に入射することがあっても、その入射光は反射凹面２１でＬＥＤ３０に向けて反射され、さらにそこで乱反射される。前記入射光の大部分は、光源装置内部で反射を繰り返すうちに、基板１０の裏面に達しそこで吸収または減衰されてしまう。このため、光源装置内に進入したときのエネルギー量を保持したまま、再び光学的開口部１１を通って装置の外に逃げられる外光はほとんどない。このような次第で、この信号灯具では、消灯時でもダークノイズが顕在化せず、消灯時と点灯時とでコントラストが大きい。
【００６３】
この第１実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
・  前記第１参考例及び第２参考例と同様、トランスファーモールド法の採用によりＬＥＤ３０自体の配光特性が向上すること、自動機による表面実装が可能なこと、光源装置全体の配光特性の向上を図りつつ効率的量産が可能なこと等の優れた効果を得ることができる。
【００６４】
・  上記のようなＬＥＤ３０の配置及び反射凹面２１の形状設定を採用したことにより、ＬＥＤ３０から発される光のほぼ全てが反射凹面２１によって受光及び反射される。そして、そこでの反射光は、途中遮られることなく集光領域Ｄ及び光学的開口部１１を介して外部に投光される。つまり、ＬＥＤ３０が発する光はほぼ全て有効利用されるため、光の外部放射効率が極めて高い。一般に、ＬＥＤのような半導体発光素子を用いた光源の場合、その光量の少なさが問題となることが多いが、本実施形態の光源装置は光の外部放射効率が極めて高く、ＬＥＤ光源の光量の少なさを十分に補償することができる。
【００６５】
・  この光源装置は上述のように光の外部放射効率が極めて高いので、使用するＬＥＤ３０を小型化しても、見掛けの輝度が低下する等の支障を生じない。故に、使用するＬＥＤ３０のサイズを、ポッティングモールドにより作られる従来汎用のφ５ｍｍサイズのＬＥＤよりも小さくすることができる。
【００６６】
なお、一般に、トランスファーモールド法で製造したＬＥＤを基板にクリームハンダでハンダ付けした後リフロー炉を通してハンダを熱硬化させた場合、ＬＥＤのサイズがφ５ｍｍサイズ相当以上になると、熱履歴による樹脂の膨張収縮がＬＥＤ内部のワイヤを断線させ易いという欠点がある。この点、本実施形態では、好都合にもＬＥＤ３０の小型化が許容されるため、トランスファーモールド法で製造されたφ５ｍｍサイズよりも小型のＬＥＤ３０を使用することができる。
それ故、上記欠点が顕在化することはなく実用上の問題を生じない。
【００６７】
（変更例）
上記各参考例及び実施形態を以下のように変更してもよい。
・  各光学基体２０における光学手段の数は９個に限定されず、一つの光学基体２０に任意の複数個の光学手段が設けられてよい。また、各光学基体２０における複数の光学手段の配列方法は、縦３列及び横３列に限定されず、縦及び横の配列数は任意に選択されてよい。
【００６８】
・  上記各参考例及び実施形態では基板１０，１４及び１５を単一の基板としたが、光学基体２０と同様、基板を複数の分割片から構成してもよい。この場合、互いに対応する基板の分割片と光学基体２０とを同形同大とすることは好ましい。
【００６９】
・  光学基体２０（及び／または基板の分割片）の形態は、平面正方形状に限定されず、例えば平面六角形状や平面菱形状であってもよい。ただし、規則的な隣接配置を担保するためには、平面多角形状であることが好ましい。
【００７０】
・  上記第２参考例及び第１実施形態におけるＬＥＤ３０を、半導体発光素子が発した光を特定方向に偏向させることができるレンズ型ＬＥＤに変更してもよい。また、ＬＥＤ３０は、発光素子３１を透明樹脂等の光透過性材料で封止せずに裸のまま露出させるタイプであってもよい。
【００７１】
・  上記第１実施形態における基板１０の光学的開口部１１を、貫通孔ではなく、当該光学的開口部の形状に対応した光透過性固体材料で形成してもよい。あるいは、基板１０を光透過性の板材（例えばガラス板）で形成し、その表面に不透明な遮光層を印刷することで遮光部及び遮光板部分を構成する一方、残された非印刷部分を、光透過性材料で埋められた環状または円弧状の光学的開口部１１として機能させてもよい。
【００７２】
・  上記第１実施形態では、反射凹面２１の凹面形状が滑らかに連続したものを想定していたが、その凹面での反射光を特定の集光領域Ｄに集束させるような面構成である限り、連続的に滑らかな凹面である必要はない。例えば、極めて多数の微小平面を個々の微小平面の角度を微妙に変化させつつ配列することで、前記反射凹面２１と光学的に等価な凹状多面体を構成してもよい。このような凹状多面体も、本件明細書でいう「反射凹面」の範疇に含まれる。
【００７３】
・  前記反射凹面２１及び２４を、前記中心点Ｐ１と外縁点Ｐ２との間の反射曲線に近似した円弧、放物線、サイクロイド曲線、渦巻き曲線等の曲線の一部を中心軸線Ｚ周りに回転して得られる回転曲面に変更してもよい。
【００７４】
前記各参考例及び実施形態及び変更例から、さらに把握される技術的思想の要点を以下に列挙する。
・  前記光学基体には、前記反射凹面が内壁面を構成する凹部が形成されており、その凹部の内側領域に前記発光ダイオードの発光部が包含されること。
【００７５】
・  光源装置を構成するための光源構成単位であって、複数の発光ダイオードが表面実装された基板と、その基板上に実装された発光素子の光の放出方向に配置される光学手段群とから構成されるとともに、前記光学手段群にはそれと対応している各発光ダイオードにそれぞれ対応した複数の光学手段が一体的に設けられていることを特徴とする光源構成単位。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、基板に対し複数の発光ダイオードを表面実装したことと、各発光ダイオードに対応する光学手段を光学基体として一体化したこととの相乗効果により、光源装置全体の配光特性を向上又は安定化させるとともに、光源装置の生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１参考例の光源装置における縦断面図（図２の１−１線での縦断面図）。
【図２】  第１参考例の光源装置における光学基体群の部分平面図。
【図３】  トランスファーモールド用金型の一例を示す概略断面図。
【図４】  第２参考例の光源装置における図１相当の縦断面図。
【図５】  第１実施形態の光源装置における基板の部分平面図。
【図６】  第１実施形態の光源装置における光学基体群の部分平面図。
【図７】  図５及び図６の７−７線での縦断面図。
【図８】  図７の一部分を拡大した断面図。
【図９】  第１実施形態の光源装置を組み込んだ信号機の正面図。
【図１０】  従来の光源装置及びその一部の断面図。
【図１１】  ポッティングモールドによるレンズ型ＬＥＤの製造に関する断面図。
【符号の説明】
１０…基板、１１…光学的開口部、１４，１５…基板、２０…光学基体（光学手段群）、２１，２４…反射凹面（反射面及び光学手段）、２５…アウターレンズ（光学手段）、３０…発光ダイオード（ＬＥＤ）、３１…発光素子、３３…透明樹脂（光透過性材料）、Ｄ…集光領域、Ｚ…中心軸線。
【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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【図１１】
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