(57)【要約】【課題】光の進行方向の制御が可能で、薄型化および量産化が容易な光装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】光装置は、発光素子と、発光素子を覆うように設けられ、放出光の光軸を含む中心部と、中心部を取り囲む内側面と外側面とを含む凸部と、を有する封止層と、を有する。光軸に対して垂直な方向における内側面の上端部と内側面の下端部との水平距離は、光軸に対して平行な方向における内側面の上端部と内側面の下端部との垂直距離の０．１倍以上、１．５倍以下であり、光軸に対して垂直な方向における外側面の上端部と外側面の下端部との水平距離は、光軸に対して平行な方向における外側面の上端部と外側面の下端部との垂直距離の０．１倍以上、１．５倍以下である。外側面は外側に向かって凸であり放出光を光軸の側に屈折可能である。【選択図】図１
2013110159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光波長を有する放出光を放出可能な発光素子と、
前記発光素子を覆うように設けられ、前記放出光の光軸を含む中心部と、前記中心部を取り囲む内側面と前記内側面とは反対側の外側面とを含む凸部と、を有する封止層であって、前記光軸に対して垂直な方向における前記内側面の上端部と前記内側面の下端部との水平距離は、前記光軸に対して平行な方向における前記内側面の前記上端部と前記内側面の前記下端部との垂直距離の０．１倍以上、１．５倍以下であり、前記光軸に対して垂直な方向における前記外側面の上端部と前記外側面の下端部との水平距離は、前記光軸に対して平行な方向における前記外側面の前記上端部と前記外側面の前記下端部との垂直距離の０．１倍以上、１．５倍以下である封止層と、
を備え、
前記光軸を含む断面において、前記内側面の前記下端部は前記封止層の表面に設けられた凹となる丸み部の最下端に位置し、前記外側面の前記下端部は前記封止層の表面に設けられた凹となる丸み部の最下端に位置し、前記外側面は外側に向かって凸であり前記放出光を前記光軸の側に屈折可能な光装置。
【請求項２】
底面と側壁とを有する凹部が設けられた実装部材であって、前記底面には前記発光素子が設けられ、前記側壁には前記放出光を反射可能な実装部材をさらに備え、
前記封止層は、前記凸部の外方に設けられ、前記放出光のうち前記側壁で反射された光を上方に向かって屈折可能な周辺部をさらに有する請求項１記載の光装置。
【請求項３】
前記発光素子の上面に設けられた蛍光体層をさらに備え、
前記封止層は、前記蛍光体層をさらに覆う請求項１または２に記載の光装置。  
【請求項４】
光素子と、
前記光素子を覆うように設けられた封止層であって、前記光素子の光軸を含む中心部と、前記中心部を取り囲む内側面と前記内側面とは反対側の外側面とを含む凸部と、を有する封止層であって、前記光軸に対して垂直方向における前記内側面の上端部と前記内側面の下端部との水平距離は、前記光軸に対して平行な方向における前記内側面の前記上端部と前記内側面の前記下端部との垂直距離の０．１倍以上、１．５倍以下であり、前記光軸に対して垂直な方向における前記外側面の上端部と前記外側面の下端部との水平距離は、前記光軸に対して平行な方向における前記外側面の前記上端部と前記外側面の前記下端部との垂直距離の０．１倍以上、１．５倍以下である封止層と、
を備え、
前記光軸を含む断面において、前記内側面の前記下端部は、前記封止層の表面に設けられた凹となる丸み部の最下端に位置し、前記外側面の前記下端は、前記封止層の表面に設けられた凹となる丸み部の最下端に位置し、前記凸部は、前記光素子の光路を屈折可能な光装置。
【請求項５】
前記光素子は、発光素子であり、
前記内側面は、前記発光素子からの放出光を前記光軸から離れる方向に屈折可能な請求項４記載の光装置。
【請求項６】
前記光素子は、受光素子であり、
前記外側面は、前記受光素子への入射光を前記光軸の側に屈折可能な請求項４記載の光装置。
【請求項７】
前記内側面の前記丸み部の曲率半径と、前記外側面の前記丸み部の曲率半径と、は、それぞれ２μｍ以上、２００μｍ以下、である請求項１〜６のいずれか１つに記載の光装置。
【請求項８】
光素子を覆うように透明樹脂からなる封止層を形成する工程と、
前記封止層の表面に、炭酸ガスレーザからの第１のレーザ光を照射しつつ前記光素子の光軸の周りを走査することにより前記封止層を溶融し、第１の溝部を形成する工程と、
前記第１の溝部の近接領域を溶融するように、前記炭酸ガスレーザからの第２のレーザ光を照射しつつ前記第１の溝部に沿って走査することより前記第１の溝部の側面の一部を残しつつ、合成溝部を形成する工程と、
を備え、
前記光軸を含む断面において、前記第１の溝部のうち残された側面と、前記第２のレーザ光の照射で形成された側面と、は、０．２以上３以下の開口率を有する溝部の一部をそれぞれ含む光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光装置では、その用途に応じて、放出光の配光角を所定の範囲に制御することが要求される。例えば、スイッチ照明の場合、配光角を狭く絞り、光軸近傍での光度を高めることが要求される。
【０００３】
発光素子の上方に凸レンズを設けると、発光装置の配光角の制御が容易となる。しかしながら、例えば、半球レンズなどを用いると、発光装置の高さが大きくなり、薄型化が困難となる。また、半球レンズなどを発光装置の表面に外付けする工程は、一貫した自動組立ラインに含めることが困難である。
【０００４】
もし、発光素子や受光素子などを封止樹脂で覆ったのち、封止樹脂層の表面にレンズ曲面を形成することができれば、光の進行方向の制御が容易で、薄型の光装置を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５３６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光の進行方向の制御が可能で、薄型化および量産化が容易な光装置およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の光装置は、発光素子と、発光素子を覆うように設けられ、放出光の光軸を含む中心部と、中心部を取り囲む内側面と外側面とを含む凸部と、を有する封止層と、を有する。光軸に対して垂直な方向における内側面の上端部と内側面の下端部との水平距離は、光軸に対して平行な方向における内側面の上端部と内側面の下端部との垂直距離の０．１倍以上、１．５倍以下であり、光軸に対して垂直な方向における外側面の上端部と外側面の下端部との水平距離は、光軸に対して平行な方向における外側面の上端部と外側面の下端部との垂直距離の０．１倍以上、１．５倍以下である。光軸を含む断面において、内側面の下端部は封止層の表面に設けられた凹となる丸み部の最下端に位置し、外側面の下端部は封止層の表面に設けられた凹となる丸み部の最下端に位置し、外側面は外側に向かって凸であり放出光を光軸の側に屈折可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる発光装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）は光取り出し面を拡大した模式断面図、である。
【図２】第１の実施形態の発光装置の製造方法のフロー図である。
【図３】図３（ａ）はレーザ光の走査方向を説明する模式平面図、図３（ｂ）はレーザ光のパルス波形図、である。
【図４】図４（ａ）は単位加工穴の模式断面図、図４（ｂ）は１００μｍのビーム径のレーザ光により形成された単位加工穴の模式断面図、図４（ｃ）は５０μｍのビーム径のレーザ光により形成された単位加工穴の模式断面図、である。
【図５】深さが異なる２つの単位加工穴を合成した溝部を説明する模式断面図である。
【図６】図６（ａ）は開口率が０．２の単位加工穴の打点ピッチを変えた断面を説明する模式図、図６（ｂ）は開口率が０．８の単位加工穴による合成溝部を説明する模式図、である。
【図７】図７（ａ）は開口率が０．６１、図７（ｂ）は開口率が０．９、図７（ｃ）は機構率が１．６５、の単位加工穴でそれぞれ溝部を形成した発光素子の模式断面図である。
【図８】図８（ａ）は開口率が２．１、図８（ｂ）は開口率が３．０、図８（ｃ）は開口率が４．１、の単位加工穴でそれぞれ溝部を形成した発光素子の模式断面図である。
【図９】図９（ａ）は２つの凸部の間の溝部の模式断面図、図９（ｂ）は溝部の垂直距離に対する比率Ｎ／Ｍを説明するグラフ図、である。
【図１０】第２の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
【図１１】球面の近似法を説明する模式断面図、である。
【図１２】第３の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
【図１３】図１３（ａ）は第４の実施形態にかかる発光装置の模式平面図、図１３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図１４】第５の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
【図１５】図１５（ａ）は第６の実施形態にかかる発光装置の模式平面図、図１５（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
【図１６】第７の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
【図１７】第８の実施形態にかかる受光装置の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる発光装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）は光取り出し面を拡大した模式断面図、である。
成型体１０、第１のリード１２、第２のリード１４、可視光を放出可能な発光素子２０、封止層３９、およびボンディングワイヤ１５、を有する。
【００１０】
成型体１０には、凹部１０ａが設けられている。凹部１０ａの底面１０ｂには第１のリード１２の一方の端部、第２のリード１４の一方の端部、がそれぞれ露出している。発光素子２０は、第１のリード１２の上に接着されている。発光素子２０の上面に設けられた一方の電極２０ａは、ボンディングワイヤ１５により第２のリード１４と接続される。凹部１０ａ内には、発光素子２０を覆うようにシリコーンなどの透明樹脂からなる封止層３９が設けられる。なお、成型体１０が反射性フィラーを含む熱可塑性樹脂からなるものとすると、凹部１０ａの側壁１０ｃを光反射面とすることができる。成型体１０と、第１のリード１２と、第２のリード１４と、は、実装部材１３を構成する。
【００１１】
図１（ｃ）のように、光取り出し面４４は、放出光の光軸４０を内部に含む中心部３０と、中心部３０を取り囲む第１の凸部３４と、を含む。第１の凸部３４は、中心部３０の側に設けられた内側面３４ａ、内側面３４ａとは反対側の外側面３４ｂ、上面３４ｃと、を含む。なお、上面３４ｃは、平面でもよいが、上方に向かって丸みを有する断面であってもよい。さらに、上面３４ｃと、中心部３０の頂点Ｑと、は、硬化前の封止層３９の上面４２とすることができる。また、第１の凸部３４を取り囲む周辺部３８を、さらに設けることができる。なお、放出光の光軸４０は、発光中心２０ｂを通り、発光素子２０の表面に垂直な軸とする。
【００１２】
第１の実施形態では、第１の凸部３４の外側面３４ｂは、外側に向かって凸である断面を有し、発光素子２０の発光層から発散する放出光Ｇ２を光軸４０の側に屈折可能である。このため、光軸４０の近傍において、光度を高めることができる。また、外側面３４ｂの断面は、直線であってもよい。これらの場合、光取り出し面４４は、レンズ作用を有する。なお、光軸４０を含む断面において、外側面３４ｂが外側に向かって凸である曲線を直線で近似しても放出光を光軸４０の側に屈折することが可能である。
【００１３】
また、中心部３０が上方に向かって凸である断面を有すると、光Ｇ１のように発光層からの放出光を屈折し、光軸４０の上での光度を高めることができる。但し、中心部３０を通る放出光は光軸４０の近傍を進むので、中心部３０の上面が平面であっても光は大きく発散することはない。
【００１４】
中心部３０と、第１の凸部３４の内側面３４ａと、の間は、曲率半径Ｒ１の丸み部を有する。また、外側面３４ｂと、周辺部３８と、の間は、曲率半径Ｒ２の丸み部を有する。
【００１５】
第１の凸部３４の内側面３４ａは、上端部Ｕ１（上面３４ｃとの交差点）と、下端部Ｂ１（丸み部の下端）と、を有する。また、光軸４０に対して垂直な方向における上端部Ｕ１と下端部Ｂ１との水平距離Ｌ１は、光軸４０に対して平行な方向における上端部Ｕ１と下端部Ｂ１との垂直距離Ｔ１の０．１倍以上であり、かつ１．５倍以下とする。また、第１の凸部３４の外側面３４ｂは、上端部Ｕ２（上面３４ｃとの交差点）と、下端部Ｂ２（丸み部の下端）と、を有する。光軸４０に対して垂直な方向における上端部Ｕ２と下端部Ｂ２との水平距離Ｌ２は、光軸４０に対して垂直な方向における上端部Ｕ２と下端部Ｂ２との垂直距離Ｔ２の０．１倍以上であり、かつ１．５倍以下とする。
【００１６】
第１の凸部３４の内側面３４ａは、放出光を必ずしも屈折しなくともよい。たとえば、放出光と略平行などとすると、放出光の散乱を抑制することができる。なお、光取り出し面４４の断面構造の例については、後に詳細に説明する。
【００１７】
図２は、第１の実施形態の発光装置の製造方法のフロー図である。
第１の実施形態にかかる発光装置において、光取り出し面４４は、たとえば、レーザ加工により形成することができる。
図１において、第１のリード１２に発光素子２０を銀ペーストのような導電性接着剤や金属半田材などで接着する（Ｓ１０２）。
【００１８】
発光素子１０およびボンディングワイヤ１５を覆うように、たとえばシリコーンなどを主な成分とする液状樹脂を成型体１０の凹部１０ａ内などに充填し、硬化または半硬化状態とする（Ｓ１０４）。
【００１９】
図３（ａ）はレーザ光の走査方向を説明する模式平面図、図３（ｂ）はレーザ光のパルス波形図、である。
レーザ光は、封止層３９の上面４２を、Ｘ−Ｘ線に沿って走査される。たとえば、図１（ａ）において、Ｘ−Ｘ線は、光軸４０を囲む円周に沿った方向となる。炭酸ガスレーザ光源（波長９〜１１μｍ）を図３（ｂ）のようにパルスを用いて駆動すると、高エネルギー密度とすることができる。たとえば、集光光学系によりエネルギー密度を１００Ｗｃｍ−２などとすることができる。また、周期ＳＴは、０．２〜２０ｍｓ（５０〜５０００Ｈｚの繰り返し周波数）、パルス幅ＰＷは１０μｓ、などとすることができる。
【００２０】
図３（ａ）では、パルスレーザ光の照射で形成する単位加工穴５０ａ、５０ｂ、５０ｃをピッチＰ１で形成すると、溝部５２を形成できることを示している。たとえば、第１の打点にて、パルスレーザ光が１０μｓの間、照射されて単位加工穴５０ａが形成された後、５ｍｓ後にＸ−Ｘ方向にピッチＰ１である５０μｍ離れた位置にてパルスレーザ光が１０μｓの間照射されて、次の単位加工穴５０ｂが形成される。以下、連続してパルスレーザ光が照射され、溝部５２が光軸４０を囲んで形成される。
【００２１】
各打点でのレーザ光照射は１ショット（１パルス）でも良いし、複数ショットでも良い。また、線状の溝部５２は、１回の走査でも、同じ線上を複数回の走査でも良い。また、それぞれの溝部５２の形成時に、パルスレーザ光出力、ショット数、走査回数、走査速度などを変えて加工することもできる。
【００２２】
たとえば、光軸４０を囲む円に沿った１つの溝部５２を形成したのち、Ｙ−Ｙ線方向に、たとえば、ピッチＰ２として５０μｍずらし、同心円などに沿った溝部５２を次々に同じ深さで形成することができる。このようにすると、多数の底部により形成される形状は概ね平面に近い形状になる。さらに、Ｙ−Ｙ線方向に対し、同心円の溝部を段々浅くまたは、深くしてやれば、傾斜平面や、部分ドーナッツ形状をした曲面や球面（たとえば、中心部３０）も形成することが可能である。溝部５２のＹ−Ｙ線に沿った断面は、凸部３４の内側面３４ａや外側面３４ｂを示す。また、単位加工穴５０の側面は、そのまま、凸部３４の外側面３４ｂや内側面３４ａとして、利用することもできる。
【００２３】
レーザ光源と例としては、波長が約１．０６μｍ近傍のＹＡＧ（Yttrium-Aluminum-Garnet)レーザがある。但し、ＹＡＧレーザ光は、非金属に対して吸収率が低い。また、ＹＡＧレーザ光は、透明樹脂に対しては透過率が高い。このため、封止層３９のレーザ加工には炭酸ガスレーザ光のほうが好ましい。
【００２４】
図４（ａ）は単位加工穴の模式断面図、図４（ｂ）は１００μｍのビーム径のレーザ光により形成された単位加工穴の模式断面図、図４（ｃ）は５０μｍのビーム径のレーザ光により形成された単位加工穴の模式断面図、である。
図４（ａ）において、レーザ加工前の封止層３９の上面４２において、単位加工穴５の開口幅Ａを加工深さＴで除した比率Ａ／Ｔの値を単位加工穴５０の開口率と定義する。また、１つのパルスレーザ光は、光軸４０の周りを走査され、所定の加工深さの溝部５２を形成できる。この場合、溝部５２の開口率は、開口幅Ａかつ加工深さＴの単位加工穴５０の開口率Ａ／Ｔと同じであるものとする。なお、開口率は、アスペクト比と言ってもよい。また、単位加工穴５０の側面の傾斜角γ（０°＜γ＜９０°）は、光素子の上面と平行な面に対して測るものとする。
【００２５】
また、レーザ光照射により、溶融した樹脂が開口部の周囲に高さＭの盛上り部５１を形成することがある。盛上り部５１の高さＭは、たとえば４０μｍなどとなることがある。加工深さＴを小さくすると、盛上り部５１の高さＭを低減できる。また、レーザ光の波長を９．３μｍと短くすると、盛上り部５１の高さＭを低減できる。なお、盛上り部５１と、加工前の封止層３９の上面４２と、の界面は、断面形状から知ることができる。このため、盛上り部５１を生じても、側面の上端部において、加工前の上面４２と、盛上り部５１と、の界面を、明確に判別することができる。
【００２６】
発明者らの実験によれば、ビーム径ＤＢが１００μｍのレーザ光により形成した単位加工穴５０は、たとえば、加工深さＴが４０μｍ、開口幅Ａが１７０μｍ、丸み部の下端部の曲率半径Ｒは３０μｍ、などとなった。この場合、開口率Ａ／Ｔは、４．２５となる。加工深さＴを深くすれば、開口率Ａ／Ｔを小さくできる。ただし、極端に深くした場合、封止層３９の樹脂に煤や変色が発生しやすくなる。また、封止層３９の内部の発光素子２０やボンディングワイヤ１５への熱の影響を抑制可能な深さにする必要がある。
【００２７】
図４（ｃ）は、レーザ光のビーム径を５０μｍとした単位加工穴５０の模式断面図を示す。
エポキシ樹脂からなる封止層であるサンプル１では、深さＴ＝１６８μｍ、開口部の幅Ａ＝９０μｍ、すなわち、開口率Ａ／Ｔが０．５であった。また、底部５０ｄの丸み曲率半径Ｒは、７．５μｍであった。さらに、エポキシ樹脂からなるサンプル２では、深さＴ＝１７２μｍ、開口部の幅Ａ＝１１２μｍ、すなわち、開口率がＡ／Ｔ＝０．７であった。また、底部５０ｄの丸み曲率半径Ｒは、１０μｍであった。さらに、シリコーン樹脂からなる封止層３９であるサンプル３では、深い加工が可能であり、深さＴ＝４９４μｍ、開口部の幅Ａ＝１３７μｍ、すなわち、開口率Ａ／Ｔは０．３であった。また、丸み部の下端部の曲率半径Ｒは、１０μｍであった。
【００２８】
ビーム径ＤＢが１００μｍ（図４（ｂ））での開口率Ａ／Ｔである４．２５に比べると、急峻な溝部５２の側面５０ｃ形状が得られることがわかる。一般にコヒーレントであるレーザ光でも、ビーム径ＤＢをその波長以下には絞れないため、実質１５μｍ以上、上限は加工形状の要求傾斜角にもよるが、２００μｍ以下のビーム径ＤＢのレーザ光を使って加工に使用するのが良いと考えられる。なお、大きな傾斜角γが必要な場合は実質１５μｍ以上、７０μｍ以下のビーム径ＤＢが望ましいと考えられる。
【００２９】
図５は、深さが異なる２つの溝部が合成された溝部を説明する模式断面図である。
縦軸は深さ方向相対位置、横軸はＹ−Ｙ線方向相対位置、である。加工前の封止層３９の上面４２から加工深さＴＴ１の第１の溝部５２ａおよび加工深さＴＴ２の第２の溝部５２ｂをそれぞれ形成する。それぞれの溝部の断面は、それぞれのレーザ光により形成された単位加工穴の断面（鎖線）で表すものとする。また、レーザ加工により実際に得られる合成溝部５３の側面の断面を実線で示している。２つの溝部５２ａ、５２ｂの重なり部分Ｗを加算すると破線（設計形状）となるが、実際に得られる合成溝部５３の断面形状（実線）との間にはずれを生じる。
【００３０】
重なり部分Ｗを表す破線は、２つのレーザ光による溝部の下端部ＢＡ、ＢＢを結ぶ線ＢＬ上に近いことが望ましい。実線で表す合成溝部５３の断面形状が、結ぶ線ＢＬから極端にずれると、必要な光学特性を得ることが困難となる。なお、本図から、２つの溝部５２ａ、５２ｂの重なり部分Ｗの高さは、それぞれのレーザ光が重なり位置において、それぞれ単独に加工した場合の深さを加算した深さとほぼ等しくなること分かる。
【００３１】
ここで、再び図２のフロー図に戻る。封止層３９の上面４２は、略平坦となっているものとする。炭酸ガスレーザからの第１のパルスレーザ光を照射しつつ、光軸４０の周りを１周するように走査し、第１の溝部５２ａを形成する（Ｓ１０６）。
【００３２】
続いて、第１の溝部５２ａの近傍領域を溶融するように、第２のパルスレーザ光を照射しつつ第１の溝部５２ａに沿って走査し、第２の溝部５２ｂを形成する。この場合、第１の溝部５２ａの側面の一部を残しつつ、第２の溝部５２ｂを形成することにより、合成溝部５３とする（Ｓ１０８）。もちろん、パルスレーザ光を３回以上走査して合成溝部５３を形成してもよい。この場合にも、第１の溝部５２ａの側面の一部と、最後のパルスレーザ光走査で形成された側面と、は単位加工穴の傾斜角γを有する側面の一部をそれぞれ残している。
【００３３】
レーザ光を照射したのち、たとえば、樹脂の軟化温度以下で熱処理を行うと（Ｓ１１０）、  封止層３９に生じた加工後の残留歪みを低減し、クラックやチップ剥がれが抑制できる。このようにして、光装置の製造工程が終了する。残留歪みの程度は、表面の偏光状態を測定することにより知ることができる。
【００３４】
第１の実施形態において、高出力発光素子の場合、チップサイズは、たとえば、０．５ｍｍ×０．５ｍｍ以上となる。この場合、レーザ光波長が、１μｍ近傍（ＹＡＧレーザ）などと小さいと単位加工穴のサイズが小さくなる。このため、封止層３９の上面４２を走査する時間が長くなりすぎて、量産性が低くなる。発明者らの実験によれば、レーザ光波長を９〜１１μｍ（炭酸ガスレーザ）の範囲とすると、樹脂成型による半球レンズと同等以上の量産性とすることができることが判明した。すなわち、炭酸ガスレーザから放出された直径１０ｍｍの平行ビームを、小アパーチャーを用いて、コヒーレンシーやビーム形状、エネルギー分布、などが良好な断面領域のみを用いる様にする。さらに、光学系で絞ることにより、ビーム径ＤＢを、１５〜２００μｍなどとすることができる。このようにして、量産性が高い製造方法とすることができる。
【００３５】
図６（ａ）は開口率が０．２の単位加工穴による溝部のピッチを変えた断面を説明する模式図、図６（ｂ）は開口率が０．８の単位加工穴による溝部の合成溝部を説明する模式図、である。
Ｘ−Ｘ方向に走査するレーザ光による溝部５２を合成すると合成溝部５３となる。図６（ａ）において、合成溝部５３ａは、Ｙ−Ｙ線に沿った断面において、走査するレーザ光の打点ピッチＰ２が２０μｍ、開口率Ａ／Ｔが０．２、半径Ｒが１μｍ、の場合の断面である。深さ１００μｍの溝加工であるにもかかわらず、凹凸が１００μｍも生じてしまい、加工の意味をなさなくなってしまう。他方、合成溝部５３ｂは、Ｙ−Ｙ線に沿った断面において、走査するレーザ光の打点ピッチＰ２が１１μｍ、開口率Ａ／Ｔが０．２、半径Ｒが１μｍ、の場合の断面である。平坦に近い底面（線）が得られるが、加工時間が長くなるので量産性が十分とは言えない。
【００３６】
図６（ｂ）において、合成溝部５３は、Ｙ−Ｙ線に沿った断面において、走査するレーザ光の打点ピッチＰ２が５４μｍ、開口率Ａ／Ｔが０．８、半径Ｒが１５μｍ、の場合の断面である。この場合、略平坦な底部を形成することができる。すなわち、配光特性を制御する場合、開口率Ａ／Ｔが０．２〜３の範囲で、丸み部の下端部の曲率半径Ｒを２〜２００μｍの範囲で選ぶと良い。特に、加工時間を短く、量産性を高める場合、開口率Ａ／Ｔが０．４〜１．５の範囲、曲率半径Ｒが２〜６０μｍの範囲が好ましい。
【００３７】
さらに、ビーム径ＤＢが１００μmでの加工結果を考えると、煤や変色の発生を抑制し、開口率Ａ／Ｔを０．２〜３の範囲に入れるためには、使用するビーム径ＤＢは１５μｍ以上、２００μｍ以下とすることが好ましい。さらに、ビーム径ＤＢを７０μｍ以下とするとより急峻な傾斜とすることができる。なお、内側面および、外側面の傾斜角は、各単位加工穴の開口率Ａ／Ｔで決まる側面の傾斜角γより大きくすることはできない。
【００３８】
光軸４０を囲む溝部の底部は、Ｘ−Ｘ線方向に沿って凹凸が小さいことが好ましい。このため、開口率が大きい方がよい。他方、Ｘ−Ｘ線方向の溝部は、側面の設計形状の傾斜角から、開口率が小さい溝部では合成できないことがある。このような場合、レーザ光のビーム断面を、Ｘ−Ｘ線方向を長軸とする楕円形状とするとよい。このようなビーム断面は、たとえば、レーザ光を楕円状のアパーチャーを有するマスクを通して整形することにより形成できる。  
【００３９】
図７（ａ）は開口率が０．６１、図７（ｂ）は開口率が０．９、図７（ｃ）は開口率が１．６５、の単位加工穴でそれぞれ合成溝部を形成した発光素子の模式断面図である。
また、図８（ａ）は開口率が２．１、図８（ｂ）は開口率が３．０、図８（ｃ）は開口率が４．１、の単位加工穴でそれぞれ合成溝部を形成した発光素子の模式断面図である。
なお、破線は設計形状ＩＣ、実線は実際に得られ加工形状ＡＣ、をそれぞれ示す。溝部は、垂直断面において、一般には非対称である。このため、本明細書において、合成溝部５３の第１および第２の側面の水平面に対する傾斜は、それぞれ別に表すものとする。
【００４０】
図７および８のように、第１の凸部３４と、周辺部３８と、の間に、第２の凸部３６をさらに設けると光軸４０上の光度をより高めることができる。第２の凸部３６の外側面３６ｂは、発光素子２０からの発散する放出光を、光軸４０の側に屈曲することにより、光軸４０上での光度をさらに高めることができる。すなわち、図７および８では、合成溝部は、中心部３０と第１の凸部３４との間、第１の凸部３４と第２の凸部３６との間、第２の凸部３６と周辺部３８との間、にそれぞれ設けることができる。
【００４１】
図７（ａ）〜（ｃ）、および図８（ａ）〜（ｃ）、は、単位加工穴５０の加工深さＴを１００μｍとし、開口率Ａ／Ｔを変化したレーザ光を走査した合成溝部の断面をそれぞれ表している。図７（ａ）では開口率Ａ／Ｔが０．６１、曲率半径Ｒが７．５μｍ、図７（ｂ）では開口率Ａ／Ｔが０．９、曲率半径Ｒが１５μｍ、図７（ｃ）ではＡ／Ｔが１．６５、曲率半径Ｒが３０μｍ、となる溝部を合成している。第１の凸部３４近傍領域をＣＶ１で示した。レーザ光のビームを絞ると、単位加工穴の走査による溝部５２の開口率Ａ／Ｔおよび曲率半径Ｒを共に小さくできる。このため、側面を急峻な設計形状に近づけることが容易となる。しかしながら、直交するＹ−Ｙ線断面において、ピッチＰ２を小さくして走査するレーザ光を多くしないと設計した形状を得ることが困難である。すなわち、生産性は低下する。
【００４２】
光軸４０に対して垂直な方向における内側面３４ａの上端部Ｕ１と下端部Ｂ１との水平距離Ｌ１は、光軸４０に対して平行な方向における上端部Ｕ１と下端部Ｂ１との垂直距離Ｔ１の０．１倍以上、１．５倍以下、とすることが好ましい。また、光軸４０に対して垂直な方向における外側面３４ｂの上端部Ｕ２と下端部Ｂ２との水平距離Ｌ２は、光軸４０に対して平行な方向における上端部Ｕ２（図７、８ではＵ１と一致する）と下端部Ｂ２との垂直距離Ｔ２の０．１倍以上、１．５倍以下、とすることが好ましい。なお、第２の凸部３６の内側面３６ａおよび外側面３６ｂに関しても同様の範囲とすることが好ましい。
【００４３】
他方、レーザ光のビームを太くすると、開口率Ａ／Ｔおよび曲率半径Ｒが大きくなる。このため、側面の傾斜は緩やかになり、下端部の垂直距離Ｔ１、Ｔ２が小さくなり、設計形状との差は、図７（ｂ）、図７（ｃ）の順に大きくなる。
【００４４】
図８（ａ）では開口率Ａ／Ｔが２．１、曲率半径Ｒが３０μｍ、図８（ｂ）では開口率が３、曲率半径Ｒが３０μｍ、図８（ｃ）では開口率Ａ／Ｔが４．１、曲率半径Ｒが３０μｍ、となる溝部５２を合成している。図８（ｂ）の構造では、レンズ効果により、光取り出し効率を高めることができる。他方、図８（ｃ）では、溝部の垂直距離Ｔ１、Ｔ２が短く、側面の傾斜も緩やかであり、設計形状との差が大きくなる。このため、光取り出し効率を高める効果が不十分である。すなわち、溝部５２の開口率Ａ／Ｔを、３以下とすると光取り出し効率を高めることができる。
【００４５】
図８（ｃ）において、周辺部３８のように、封止層３９の上面４２から後退し傾斜が緩やかな底部は、開口率が３よりも大きいと形成が困難となる。この場合、開口率が３よりも小さい溝部５２を合成すればよい。
【００４６】
また、単位加工穴の開口率Ａ／Ｔを、１．６５以下とすると、より光取り出し効率を高めることができる。なお、開口率Ａ／Ｔが３．０である溝部を合成した合成溝部の側面において、傾斜角は、より小さい開口率の溝部の側面の傾斜角γよりも小さい傾斜角となる。さらに、溝部の垂直距離は、より小さい開口率の溝部の垂直距離よりも短くなる。他方、図８（ａ）のように、溝部５２の側面の傾斜角が、第１の凸部３４の内側面３４ａおよび外側面３４ｂの傾斜角に近くなるので、１回の走査でも設計した形状に近くできる。このため、生産性を高めることが容易となる。
【００４７】
上面４２から、所定の深さまで封止層３９をレーザ光を用いて除去する場合、上端に平坦部３４ｃを残すようにすると加工が容易となる。一般に、凸部の先端テーパー部が細いと、バリなどを発生しやすいなど形状を安定化することが困難となり、配光角が変化してしまうことがある。
【００４８】
図９（ａ）は２つの凸部の間の溝部の模式断面図、図９（ｂ）は溝部の垂直距離に対する比率Ｎ／Ｍを説明するグラフ図、である。
第１の凸部３４と、第２の凸部３６と、の間の距離をＭとする。また、第１の凸部３４の外側面３４ｂの下端部Ｂ２（第２の凸部３６の内側面３６ａの下端部と一致するものとする）の垂直距離Ｔ２とする。合成溝部５３の下端部は、曲率半径Ｒの丸み部を有するものとし、側面３４ｂとの接点をＫ１、側面３６ａとの接点をＫ２とする。接点Ｋ１と接点Ｋ２との距離をＮとする。接点Ｋ１と接点Ｋ２との間の領域は、加工曲面が設計形状からずれたことを示す。比率Ｎ／Ｍが小さいほど、実際の加工形状は設計形状に近く、光の制御性が良い。
【００４９】
図９（ｂ）において、縦軸は比率Ｎ／Ｍ、横軸は溝部の垂直距離Ｔ２、である。
比率Ｎ／Ｍを５０％以下にするには垂直距離Ｔ２を１０μｍ以上とすることが好ましい。比率Ｎ／Ｍを２０％以下にするには垂直距離Ｔ２を４５μｍ以上とすることがより好ましい。
【００５０】
図１０は、第２の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
溝部の垂直距離Ｔ１を小さく、例えば５０μｍにした場合、所望の特性を得るためには溝部を多く形成することが必要である。溝部５２は、開口率Ａ／Ｔが０．９、曲率半径Ｒが１５μｍであるものとする（図７（ｂ）と同じ）。溝部の垂直距離Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が１００〜２５０μｍである図７（ｂ）では、合成溝部が３つなのに対し、溝部の垂直距離Ｔ１が５０μｍ近傍であるの本実施形態では、合成溝部の数が１３に増える。溝部の下端部は、丸み部を含み、設計形状（破線）からずれた形状を持つ。設計形状からずれる領域はできるだけ小さいことが配光特性を制御するためには好ましい。
【００５１】
光取り出し面に設けるレンズ球面には種々あるが、半球レンズを近似する場合について
次に説明する。なお、レンズ球面は、これに限定されない。
【００５２】
図１１は、球面の近似法を説明する模式断面図、である。
封止層３９の上に、封止層３９と同一材料からなる半球レンズ９０があるものとする。半球レンズ９０を、半球レンズ９０の片側をＤＶ１およびＤＶ２に垂直に２分割し、レンズ球面を発光中心２０ｂに向かって相似的に移動することを考える。すなわち、分割された半球レンズ９０、９１のそれぞれの球面による屈折方向が、移動前と平行になるように曲面を移動する。このようにすると、外側の分割領域ＤＶ１の球面の傾斜角の平均値βは、中心部３０の分割領域ＤＶ２の球面の傾斜角の平均値αよりも大きくなる。なお、傾斜角の平均値は、球面を含む曲面の上端と下端との中間の位置における曲面に接する面が上面４２と交差する角度として定義する。  
【００５３】
発光素子２０からの放出光はインコヒーレントであるから、分割された球面の領域の間で位相を揃える必要がない。もし、発光領域の発光中心２０ｂを相似の中心とすると、半球レンズ９０と相似である半球レンズを連続して配列できる。縮小された相似形の分割された球面による屈折方向は、半球レンズ９０の球面による屈折方向と平行にできる。すなわち、発光中心２０ｂを半球レンズ９０の中心の位置よりも下方に設けると、放出光は発光中心２０ｂから放射状には放出されず、屈折方向を光軸４０に近づけ、配光角を制御することがより容易となる。なお、半球レンズの中心は、球レンズを中心を含む平面で２分割した場合に現れる円の中心と定義する。分割され縮小された球面は、例えば、それぞれの球面の上端を揃えて配置することができる、または下面を揃えて配列してもよい。
【００５４】
図１１に表す断面において、発光中心（相似の中心）２０ｂと、成型体１０の凹部１０ａの側壁（反射面）１０ｃの上限部と、を結ぶ直線に沿って相似形の半球レンズ９１、９２、を移動できる。第１の実施形態では、垂直に分割された球面に対応した半球レンズの縮小された球面を合成して所望のレンズを形成する。しかしながら、光軸４０に近い分割領域ＤＶ２の球面による屈折角は小さい。本図では、分割された球面レンズのうち、ＤＶ２の球面を縮小した半球レンズ９２の一部を、上端が封止層３９の硬化直後の上面４２に接する位置に設けて、中心部３０の上面３０ａとする。
【００５５】
また、断面において、仮想光線Ｌ１が上面４２と交差する点ＣＲ１を通る半球レンズ９１の領域ＤＶ２の球面を縮小した半球レンズ９２の球面を外側面３４ｂとする。半球レンズ９２から半球レンズ９１への移行部となる内側面を３４ａとする。本図のように移行部（内側面）を仮想光線Ｌ１の軌跡と一致させると、光損失を低減できる。
【００５６】
この結果、図１（ｂ）のように、放出光のうち中心部３０の面３０ａを出射した光Ｇ１は、光軸４０上の光を除いて光軸４０の側に屈折する。第１の凸部３４の外側面３４ｂを出射した光Ｇ２は、光軸４０の側に屈折する。
【００５７】
図１１において、第１の凸部３４の外側面３４ｂの傾斜角の平均値αは、第２の凸部３６の外側面３６ｂの傾斜角の平均値βよりも小さい。第１の凸部３４の球面中心は、発光中心２０ｂよりも上方に位置するので、外側面３４ｂへの入射角がゼロにはならず、光は光軸４０の側に屈折する。すなわち、図１（ｂ）のように、外側面３４ｂにより屈折された光Ｇ２は、中心部３０の曲面３０ａにより屈折された光Ｇ１よりも大きく光軸４０側に向かって曲げられ、封止層３９は、集光レンズとして作用する。
【００５８】
成型体１０の凹部１０ａの側壁１０ｃが反射面として作用する場合、第１の凸部３４の外側に周辺部３８をさらに設けると、配光角の制御がより容易となる。発光素子２０の側面方向へ向かって放出された光は、傾斜角θの側壁１０ｃにより反射し、進行方向が変化する。反射光は、反射面（側壁１０ｃ）に関する発光中心２０ｂの対称点Ｓを発光点と仮想することができる。
【００５９】
側壁１０ｃの上端と発光中心２０ｂとを結ぶ直線と、半球レンズ９１との交差点を点Ｐとする。このとき、対称点Ｓを相似の中心とし半球レンズ９０を縮小した半球レンズ９４の球面が断面において点Ｐを通るように周辺部３８を設ける。側壁１０ｃにより反射され、周辺部３８の曲面３８ａを出射した光は、光軸４０の側に屈折可能であり、配光角の制御をより容易にすることができる。
【００６０】
図１２は第３の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
本実施形態は、封止層３９の光取り出し面が、発散レンズ効果を有する光装置である。光軸４０の近傍では、光強度が強いので、第１の凸部３４の内側面３４ａの傾斜面を利用して拡散させる。第１の凸部３４の外側に設けられた第２の凸部３６を通る光は、光軸４０となす角度が第１の凸部３４を通る光の角度よりも大きいので屈折角は小さくてよい。すなわち、所望しない屈折を抑えるような傾斜とすればよい。また、発光素子２０からの放出光が光軸４０となす角度が大きくなる場合、臨界角とはならないように外側面３４ｂを利用して、光を屈折し、所望の方向に光を取り出すようにする。それより角度の大きい光線は外側面３４ｂにてできるだけ多く屈折するようにする。
【００６１】
すなわち、中心部の表面３０ａを封止層３９の加工前の上面４２よりも低い位置とし、その中心部に近い内側面３４ａの傾斜角は光を中心軸４０から離れる方向に屈折可能な構造にすることにより、拡散レンズ効果を持たせることができる。このため、光取り出し効率がよく広い配光角を有する発光装置とすることができる。
【００６２】
図１３（ａ）は第４の実施形態にかかる発光装置の模式平面図、図１３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
第４の実施形態において、発光中心２０ｂは、半球レンズ９０の中心９０ａよりも上 方に設けられている。このようにすることで、第１の凸部３４の外側面３４ｂおよび中心部３０は、放出光を光軸４０から離れる方向に屈折することができる（Ｇ１、Ｇ２）。
【００６３】
図１４は、第５の実施形態にかかる光装置の模式断面図である。
第１の凸部３４の内側面３４ａは、発光素子２０からの放出光を光軸４０から離れる方向に屈折可能である（Ｇ１、Ｇ２）。すなわち、内側面３４ａは、光軸４０を含む断面で、上方に向かって凹であるか、直線状とすることができる。また、中心部の表面３０ａは、上方に向かって凹であるか、直線状とすることができる。このため、広い配光角を有する発光装置とすることができる。
【００６４】
図１５（ａ）は第６の実施形態にかかる発光装置の模式平面図、図１５（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
封止層３９は、リード１２に設けられた光素子２０と、リード１２、１４と、ボンディングワイヤと、一体に成型されていてもよい。放出光は、中心部の表面３０ａで光軸４０の側に屈折されてＧ１、第１の凸部３４の外側面３４ｂで光軸４０の側に屈折されてＧ２、第２の凸部３６の外側面３６ｂで屈折されてＧ３、となる。
【００６５】
図１６は、第７の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
蛍光体がシリコーンなどに混合配置された蛍光体層２４を窒化物系材料からなる発光素子２０の上面に設ける。発光素子２０と、蛍光体層２４と、を覆うように封止層３９を設ける。そのあと、封止層３９の表面に第１〜第６の実施形態のようなレーザ加工を行う。白色ＬＥＤランプなど、蛍光体を励起する発光素子は青色光や紫外線光などの光を放出するため、樹脂の変色、劣化などを生じやすい。そのため、チップの接着には、短波長光や熱による変色や劣化を起こしにくいシリコーン樹脂や、無機物である金錫共晶半田材、銀焼結性固着材などを使うことが好ましい。同様の理由で蛍光体層２４や封止層３９にはシリコーン樹脂や、ガラスなどを使うことが好ましい。
【００６６】
もし、封止層３９の全体に蛍光体を分散配置すると、蛍光体による波長変換光が封止層３９の広い領域において放出される。発光素子２０からの放出光を所望の方向に屈折したとしても、波長変換光を所望の方向に屈折することは困難となる。これに対して、本実施形態では、蛍光体層２４を発光素子２０の近傍に形成することにより、その外側に発光源を含まない封止層３９とすることができる。このため、放出光と、波長変換光と、は、封止層３９の上面により屈折され（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ４）、容易に所望の配光特性を得ることができる。
【００６７】
図１７は、第８の実施形態にかかる受光装置の模式断面図である。
光素子２０は、ＳｉフォトダイオードやＳｉフォトＩＣなどの受光素子とする。第１の凸部の外側面に入射した入射光Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、光軸４０の側にそれぞれ屈折されて受光素子２０へ入射する。このため、受光感度を高めることができる。なお、受光素子の光軸４０は、受光中心を通り、受光面に垂直な軸とする。
【００６８】
以上、第１〜第８の実施形態にかかる光装置によれば、光の進行方向の制御が可能で、薄型化が容易な光装置が提供される。このような光装置は、照明装置、画像表示装置、信号機、光検知器などに広く用いることができる。また、炭酸ガスレーザ光走査により、封止樹脂層の表面にレンズ曲面を形成することにより、量産性に富む光装置の製造方法が提供される。
【００６９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７０】
１０  成型体、１０ａ  凹部、１３  実装部材、２０  光素子、３０  中心部、３４  第１の凸部、３４ａ  内側面、３４ｂ  外側面、３８  周辺部、３９  封止層、４０  光軸、４２  （封止層の）上面、５２  （単位加工穴の走査による）溝部、５３  合成溝部、Ａ  開口幅、Ｔ  加工深さ、Ａ／Ｔ  開口率、Ｕ１、Ｕ２  上端部、Ｂ１、Ｂ２  下端部、Ｒ、Ｒ１、Ｒ２  曲率半径、Ｌ１、Ｌ２  水平距離、Ｔ１、Ｔ２  垂直距離
【図１】
2013110159.tif 000003
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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