(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、前記発光素子を封止する光透過性材料と、前記発光素子の発光面に対向する中心部分に配置されている金属反射面からなる対向反射面と、前記発光素子の周囲に配設された反射面を傾斜面とした側面側反射部材とを具備し、
前記側面側反射部材の反射面には蛍光体層を有し、前記発光素子から前記対向反射面に照射された光のうち前記側面側反射部材側に反射した光は前記傾斜面で反射されて外部へ放射され、また、前記発光素子から前記光透過性材料の界面方向に照射された光は全反射されて前記側面側反射部材に至り、前記傾斜面で反射されて外部へ放射され、そして、前記発光素子から直接前記側面側反射部材に至る光は前記傾斜面で反射され、その大部分は外部に放射されることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記対向反射面は、前記発光素子側に凸状に湾曲している対向反射鏡としたことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記対向反射面の反射面にも、前記蛍光体層を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子の周囲に反射面を設けて、この反射面に蛍光体層を設けることによって、吸収される光を少なくして外部放射効率を大きくした発光ダイオードに関するものである。
【０００２】
なお、本明細書中においては、ＬＥＤチップそのものは「発光素子」と呼び、ＬＥＤチップを搭載したパッケージ樹脂またはレンズ系等の光学装置を含む全体を「発光ダイオード」または「ＬＥＤ」と呼ぶこととする。
【０００３】
【従来の技術】
従来、蛍光体を含有した透明樹脂により青色発光素子を封止し、青色発光素子が発する青色光と蛍光体が発する黄色系励起光とを混合することによって白色光とする白色光源がある。かかる構造では、青色発光素子による吸収、蛍光体による吸収が大きく、光効率が低かった。即ち、青色発光素子が発した光のうち、何割かは蛍光体で反射され青色発光素子に戻る。青色発光素子内は屈折率が高いため再度外部へ出射されにくく、光吸収率が高い。また、蛍光体層を通り外部放射される光は、蛍光体層内で吸収され、減衰されて外部放射される。
【０００４】
一方、蛍光体層内で青色発光素子に隣接する側が青色光の照射密度が高く、黄色系励起光のうち青色発光素子への戻り光はやはり再度外部へ出射されにくく、光吸収率が高い。また、蛍光体層を通り外部放射される光は層内で吸収され、減衰されて外部放射される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、青色発光素子と蛍光体層が密接しているために、青色発光素子から発せられて蛍光体で反射された青色光、及び蛍光体で励起された黄色系励起光は、青色発光素子に戻って高い吸収率で吸収されてしまう。また、蛍光体層を通過する青色光及び黄色系励起光は、厚い蛍光体層を通るうちに層内で吸収減衰される。以上のことから、青色光と黄色系励起光が混合して生じた白色光の外部放射効率は低くなっていた。
【０００６】
そこで、本発明は、発光素子と蛍光体層を密接させないことによって、発光素子へ戻って吸収される発光素子の光及び励起光の量を少なくするとともに、蛍光体層を反射材料上に形成することによって蛍光体層で吸収される発光素子の光及び励起光の量を少なくした発光ダイオードの提供を課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にかかる発光ダイオードは、発光素子を封止する光透過性材料と、前記発光素子の発光面に対向する中心部分に配置されている金属反射面からなる対向反射面と、前記発光素子の周囲に配設された反射面を傾斜面とした側面側反射部材とを具備し、前記側面側反射部材の反射面には蛍光体層を有し、前記発光素子から前記対向反射面に照射された光のうち前記側面側反射部材側に反射した光は前記傾斜面で反射されて外部へ放射され、また、前記発光素子から前記光透過性材料の界面方向に照射された光は全反射されて前記側面側反射部材に至り、前記傾斜面で反射されて外部へ放射され、そして、前記発光素子から直接前記側面側反射部材に至る光は前記傾斜面で反射され、その大部分は外部に放射されるものである。
【０００８】
これによって、発光素子から発せられた光は対向反射面で反射され、側面側反射部材でさらに反射されて外部放射される。ここで、対向反射面、側面側反射部材のいずれかの反射面に蛍光体層が設けられているため、発光素子の光で蛍光が励起されて両方の光が混ぜられて所定の色の光となって外部放射される。発光素子と蛍光体層が離れているので、蛍光体で反射された発光素子の光も励起光も発光素子へ戻って吸収される割合は格段に小さくなる。また、蛍光体層が反射材料上に形成され、蛍光体層へ光を照射し、照射面から励起光を放射するため、蛍光体層で吸収される発光素子の光も励起光も格段に少なくなる。
【０００９】
このようにして、発光素子と蛍光体層を密接させないことによって、発光素子へ戻って吸収される発光素子の光及び励起光の量を少なくするとともに、蛍光体層を反射材料上に形成することによって蛍光体層で吸収される発光素子の光及び励起光の量を少なくした発光ダイオードとなる。
【００１０】
そして、前記発光素子を封止する光透過性材料を有するから、発光素子から放射される光量は封止されていない場合の約２倍になるので、蛍光体層で励起される蛍光の量も約２倍になり、発光ダイオードから外部放射される光量も大幅に増加する。また、封止されることによって発光素子の寿命も向上する。
【００１１】
このようにして、放射される光量が多く、発光素子の寿命も長い優れた発光ダイオードとなる。
【００１２】
更に、前記対向反射面は前記光透過性材料の界面反射を利用したものである。即ち、発光素子の発光面から放射される光のうち、光透過性材料の界面に垂直に近く入射する光はそのまま界面から外部放射されるが、光透過性材料の界面に対して臨界角以上に斜めに入射する光は界面で全反射されて側面側反射部材へ向かう。また、臨界角以上でなくても斜めに入射する光の一部は同様に界面で反射される。このように、対向反射面として光透過性材料の界面を利用することによって、対向反射面を金属材料等で新たに作製する必要がなくなるので、作製が容易になる。前記金属反射面としては、アルミ板等の金属板や金属蒸着膜等がある。かかる金属反射面は反射率が高いので、発光素子の発光面から放射された光を小さな反射損失で側面側反射部材へ向かわせることができる。したがって、蛍光体層における励起光の発生も多くなり、外部放射される発光素子の光及び励起光の光量も大きくなる。このようにして、反射率の高い金属反射面を用いることによって外部放射効率の一段と高い発光ダイオードとなる。
【００１３】
このようにして、対向反射面として光透過性材料の界面を利用することによって、作製が容易な発光ダイオードとなる。
【００１４】
請求項２の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１の構成において、対向反射鏡の前記対向反射面を前記発光素子側に凸状に湾曲させてものである。
【００１５】
これによって、発光素子から対向反射鏡に照射される光は大部分が側面側反射部材へ反射され、対向反射鏡の外側に外れた光も、透明エポキシ樹脂の界面で全反射されて側面側反射部材へ向かう。
【００１６】
請求項３の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１または請求項２の構成において、前記対向反射面の反射面に前記蛍光体層を有するものである。
【００１７】
対向反射面は発光素子の発光面に対向しているので、発光素子の発する光の大部分が照射される。したがって、照射光が反射面の蛍光体層に当って励起される蛍光の光量も多くなる。
【００１８】
このようにして、励起される蛍光の光量が多くなる発光ダイオードとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
実施の形態１
まず、本発明の発光ダイオードの実施の形態１について、図１及び図２を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１にかかる発光ダイオードの全体構成を示す平面図、（ｂ）は縦断面図である。図２は本発明の実施の形態１にかかる発光ダイオードの光路を示す光路図である。
【００２１】
図１に示されるように、本実施の形態１の発光ダイオード１は、青色発光素子（以下、単に「発光素子」ともいう。）２に電力を供給するリードをガラスエポキシ基板３に銅箔パターン３ａ，３ｂをプリントして作製している。このうち銅箔パターン３ａの先端に発光素子２がマウントされ、発光素子２の上面の２個の電極がそれぞれワイヤ４によって銅箔パターン３ａ，３ｂに接続されている。さらに、ガラスエポキシ基板３の外周部分には、銅箔パターン３ａ，３ｂとの間に白色高反射レジスト９を挟んでアルミ材からなる側面側反射部材７が固定されている。この側面側反射部材７の内周には傾斜面７ａからなる高反射率の反射面が形成されており、内部は光透過性材料としての透明エポキシ樹脂８で封止されている。そして、発光素子２の発光面と対向する中心部分には対向反射面としてのアルミ板からなる対向反射鏡５が高反射率の反射面を下にして配置されており、反射面には蛍光体層としての蛍光体混入樹脂６が一面に塗布されている。
【００２２】
かかる構成を有する本実施の形態１の発光ダイオード１における白色光の発光時の光路について、図２を参照して説明する。
【００２３】
図２に示されるように、発光素子２から対向反射面５に照射された青色光２ａは、対向反射面５の表面の蛍光体混入樹脂６に含まれる蛍光体を励起して黄色系励起光６ａを発生させる。発生した黄色系励起光６ａのうち側面側反射部材７へ向かった光は、傾斜面７ａで上方に反射されて外部へ放射される。また、発光素子２から透明エポキシ樹脂８の界面に照射された光は全反射されて側面側反射部材７に至り、傾斜面７ａで上方に反射されて青色光２ａのまま外部へ放射される。さらに、発光素子２から直接側面側反射部材７に至り、傾斜面７ａで反射された青色光２ａの大部分は上方へ反射されて外部放射されるが、一部の青色光２ａは対向反射面５へ向かい、表面の蛍光体混入樹脂６に当って黄色系励起光６ａを発生させる。
【００２４】
このように、ＬＥＤ１においては蛍光体層としての蛍光体混入樹脂６が発光素子２に密接していないため、発光素子２内へ戻り吸収される青色光２ａ及び黄色系励起光６ａの割合を極端に減らすことができる。また、蛍光体層６が対向反射面５上に形成され、この蛍光体層６に発光素子２から青色光２ａが照射され、照射面から黄色系励起光６ａを放射するため、蛍光体層６で吸収される青色光２ａ及び黄色系励起光６ａの量が軽減される。このようにして、効率良く外部放射された青色光２ａと黄色系励起光６ａが混合されて白色光となり、ＬＥＤ１は輝度の高い白色光源となる。
【００２５】
青色光２ａは蛍光体層６表面で多く反射されるので、蛍光体層６内での吸収が少ない。また、蛍光体層６表面で、多くの光が励起されるので、黄色系励起光６ａは外部へ放射され易く、吸収が少ない。
【００２６】
実施の形態２
次に、本発明の発光ダイオードの実施の形態２について、図３を参照して説明する。図３は本発明の実施の形態２にかかる発光ダイオードを示す縦断面図である。なお、実施の形態１の図１と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００２７】
図３に示されるように、本実施の形態２の発光ダイオード１１が実施の形態１の発光ダイオード１と異なるのは、対向反射面を形成する対向反射鏡１５が下へ凸状に湾曲している点である。これによって、側面側反射部材７へ向かう青色光及び黄色系励起光の割合が増加して、傾斜面７ａで上方へ反射されて外部放射される青色光と黄色系励起光の光量が多くなるため、ＬＥＤ１１はより輝度の高い白色光源となる。
【００２８】
実施の形態３
次に、本発明の発光ダイオードの実施の形態３について、図４を参照して説明する。図４は本発明の実施の形態３にかかる発光ダイオードを示す縦断面図である。なお、実施の形態１の図１と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００２９】
図４に示されるように、本実施の形態３の発光ダイオード１２が実施の形態１の発光ダイオード１と異なるのは、蛍光体層としての蛍光体混入樹脂６が側面側反射部材７の反射面に塗布されている点と、対向反射面としての対向反射鏡１６の中央部分が下へ凸状に湾曲している点である。
【００３０】
これによって、発光素子２から対向反射鏡１６に照射される青色光は大部分が側面側反射部材７へ反射され、対向反射鏡１６の外側に外れた青色光も、透明エポキシ樹脂８の界面で全反射されて側面側反射部材７へ向かう。このように、発光素子２から発せられる青色光の大部分が側面側反射部材７へ向かい、側面側反射部材７の反射面には蛍光体層としての蛍光体混入樹脂６が塗布されているので、蛍光体層６へ照射された青色光によって照射面から黄色系励起光を放射するため、蛍光体層６で吸収される青色光及び黄色系励起光の量が軽減される。しかも、側面側反射部材７の反射面で反射された青色光及び黄色系励起光の大部分が対向反射鏡１６の周囲の透明エポキシ樹脂８の界面から外部放射される。
【００３１】
このようにして、本実施の形態３のＬＥＤ１２は、蛍光体混入樹脂６が塗布されている側面側反射部材７の反射面へ発光素子２の発する青色光の大部分が照射されることによって、外部放射効率が高く輝度の高い白色光源となる。
【００３２】
実施の形態４
次に、本発明の発光ダイオードの実施の形態４について、図５を参照して説明する。図５は本発明の実施の形態４にかかる発光ダイオードを示す縦断面図である。なお、実施の形態３の図４と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図５に示されるように、本実施の形態４の発光ダイオード１３が実施の形態３の発光ダイオード１２と異なるのは、蛍光体層としての蛍光体混入樹脂６が側面側反射部材７の反射面のみでなく、対向反射面としての対向反射鏡１６の反射面（下面）にも塗布されている点である。
【００３４】
これによって、発光素子２から対向反射鏡１６に照射される青色光は蛍光体層６に照射されて照射面から黄色系励起光を放射するため、蛍光体層６で吸収される青色光及び黄色系励起光の量が軽減される。対向反射鏡１６で反射された青色光は大部分が側面側反射部材７へ反射され、対向反射鏡１６の外側に外れた青色光も、透明エポキシ樹脂８の界面で全反射されて側面側反射部材７へ向かう。側面側反射部材７の反射面には蛍光体層としての蛍光体混入樹脂６が塗布されているので、蛍光体層６へ照射された青色光によって照射面から黄色系励起光を放射するため、蛍光体層６で吸収される青色光及び黄色系励起光の量が軽減される。しかも、側面側反射部材７の反射面で反射された青色光及び黄色系励起光の大部分が対向反射鏡１６の周囲の透明エポキシ樹脂８の界面から外部放射される。
【００３５】
このように、本実施の形態４のＬＥＤ１３においては、発光素子２から放射される青色光が二度にわたって蛍光体層６に照射された後、外部放射されるので、黄色系励起光の量が増して外部放射光の波長が長波長側へシフトする。また、二度にわたって蛍光体層６に照射されることによって、色の再現性が良好になる。さらに、側面側反射部材７及び対向反射鏡１６の蛍光体層６の厚みを加減することによって、側面側反射部材７または対向反射鏡１６でそのまま反射される青色光の割合を変えることができ、ＬＥＤ１３から放射される光の色目を容易に変化させることができる。これによって、白色のみでなく赤色、緑色、青色を始めとして種々の色の光を出すことができる発光ダイオードとなる。
【００３６】
上記各実施の形態においては、発光素子として青色発光素子を用い、蛍光体として青色光によって黄色系の蛍光を励起する蛍光体を用いた場合について説明したが、蛍光体を励起できる波長のものであれば、紫外線発光素子をも含めて何色の発光素子を用いても良く、何色の蛍光を発する蛍光体を用いても構わない。また、ＬＥＤにおいて発光素子等を封止する光透過性材料として透明エポキシ樹脂を用いているが、透明シリコン樹脂を始めとするその他の材料を用いても良い。
【００３７】
さらに、金属反射面として高反射率のアルミ板を用いた例について説明したが、他の金属板や金属蒸着膜を用いることもできる。また、対向反射面及び側面側反射部材の材料としてアルミ材を使用した例について説明しているが、他の金属を始めとして、反射率の高い材料であれば如何なる材料を使用しても良い。
【００３８】
さらに、上記各実施の形態に特有の効果として、ガラスエポキシ基板３に銅箔３ａ，３ｂをプリントしてリード部分を構成しているために、表面実装が容易に行えるという利点がある。
【００３９】
発光ダイオードのその他の部分の構成、形状、数量、材質、大きさ、接続関係等についても、上記各実施の形態に限定されるものではない。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明にかかる発光ダイオードは、発光素子と、前記発光素子を封止する光透過性材料と、前記発光素子の発光面に対向する中心部分に配置されている金属反射面からなる対向反射面と、前記発光素子の周囲に配設された反射面を傾斜面とした側面側反射部材とを具備し、前記側面側反射部材の反射面には蛍光体層を有し、前記発光素子から前記対向反射面に照射された光のうち前記側面側反射部材側に反射した光は前記傾斜面で反射されて外部へ放射され、また、前記発光素子から前記光透過性材料の界面方向に照射された光は全反射されて前記側面側反射部材に至り、前記傾斜面で反射されて外部へ放射され、そして、前記発光素子から直接前記側面側反射部材に至る光は前記傾斜面で反射され、その大部分は外部に放射されるものである。
【００４１】
これによって、発光素子から発せられた光は対向反射面で反射され、側面側反射部材でさらに反射されて外部放射される。ここで、対向反射面、側面側反射部材のいずれかの反射面に蛍光体層が設けられているため、発光素子の光で蛍光が励起されて両方の光が混ぜられて所定の色の光となって外部放射される。発光素子と蛍光体層が離れているので、蛍光体で反射された発光素子の光も励起光も発光素子へ戻って吸収される割合は格段に小さくなる。また、蛍光体層が反射材料上に形成され、蛍光体層へ光を照射し、照射面から励起光を放射するため、蛍光体層で吸収される発光素子の光も励起光も格段に少なくなる。
【００４２】
このようにして、発光素子と蛍光体層を密接させないことによって、発光素子へ戻って吸収される発光素子の光及び励起光の量を少なくするとともに、蛍光体層を反射材料上に形成することによって蛍光体層で吸収される発光素子の光及び励起光の量を少なくした発光ダイオードとなる。
【００４３】
そして、前記発光素子を封止する光透過性材料を有するものであるから、発光素子から放射される光量は封止されていない場合の約２倍になるので、蛍光体層で励起される蛍光の量も約２倍になり、発光ダイオードから外部放射される光量も大幅に増加する。また、封止されることによって発光素子の寿命も向上する。
【００４４】
このようにして、放射される光量が多く、発光素子の寿命も長い優れた発光ダイオードとなる。
【００４５】
また、前記対向反射面は前記光透過性材料の界面反射を利用したものである。即ち、発光素子の発光面から放射される光のうち、光透過性材料の界面に垂直に近く入射する光はそのまま界面から外部放射されるが、光透過性材料の界面に対して臨界角以上に斜めに入射する光は界面で全反射されて側面側反射部材へ向かう。また、臨界角以上でなくても斜めに入射する光の一部は同様に界面で反射される。このように、対向反射面として光透過性材料の界面を利用することによって、請求項２に記載の効果に加えて、対向反射面を金属材料等で新たに作製する必要がなくなるので、作製が容易になる。
【００４６】
このようにして、対向反射面として光透過性材料の界面を利用することによって、作製が容易な発光ダイオードとなる。
また、前記対向反射面は金属反射面であるから、かかる金属反射面は反射率が高いので、発光素子の発光面から放射された光を小さな反射損失で側面側反射部材へ向かわせることができる。したがって、蛍光体層における励起光の発生も多くなり、外部放射される発光素子の光及び励起光の光量も大きくなる。よって、反射率の高い金属反射面を用いることによって外部放射効率の一段と高い発光ダイオードとなる。
【００４７】
請求項２の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１の構成において、対向反射鏡の前記対向反射面を前記発光素子側に凸状に湾曲させてものである。
【００４８】
請求項１に記載の効果に加えて、発光素子から対向反射鏡に照射される光は大部分が側面側反射部材へ反射され、対向反射鏡の外側に外れた光も、透明エポキシ樹脂の界面で全反射されて側面側反射部材へ向かうから、効率のよい発光ダイオードとなる。
【００４９】
請求項３の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１または請求項２の構成において、前記対向反射面の反射面に前記蛍光体層を有するものである。
【００５０】
請求項１または請求項２に記載の効果に加えて、対向反射面は発光素子の発光面に対向しているので、発光素子の発する光の大部分が照射される。したがって、照射光が反射面の蛍光体層に当って励起される蛍光の光量も多くなる。
【００５１】
このようにして、励起される蛍光の光量が多くなる発光ダイオードとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１（ａ）は本発明の実施の形態１にかかる発光ダイオードの全体構成を示す平面図、（ｂ）は縦断面図である。
【図２】  図２は本発明の実施の形態１にかかる発光ダイオードの光路を示す光路図である。
【図３】  図３は本発明の実施の形態２にかかる発光ダイオードを示す縦断面図である。
【図４】  図４は本発明の実施の形態３にかかる発光ダイオードを示す縦断面図である。
【図５】  図５は本発明の実施の形態４にかかる発光ダイオードを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，１１，１２，１３    発光ダイオード
２    発光素子
５，１５，１６    対向反射面
６    蛍光体層
７    側面側反射部材
７ａ    傾斜面
８    光透過性材料
【図１】
0004172196.tif 000002
【図２】
0004172196.tif 000003
【図３】
0004172196.tif 000004
【図４】
0004172196.tif 000005
【図５】
0004172196.tif 000006