WO2003100873A1 - Light emitting element, light emitting device and surface emission illuminating device using it - Google Patents

Description

明 細 書 発光素子、 それを用いた発光装置及び面発光照明装置 技術分野

本発明は、 光の取り出し効率を向上させた発光素子、 それを用いた発光装置及 び面発光照明装置に関する。 背景技術

従来の非封止型の発光素子の構成を図 5 5に示す。 従来の非封止型の発光素子 1 0 0は、 S i C又はサファイアからなる透光性基板 1 0 1と、 透光性基板 1 0 1の表面に形成された n型半導体層 1 0 3と！)型半導体層 1 0 4の積層構造から なるダイォード構造 1 0 2を有する。 _n型半導体層 1 0 3と ; p型半導体層 1 0 4 の; n接合面 1 0 5で生じた光は、 主として; p n接合面 1 0 5と略平行なダイォ 一ド構造 1 0 2の外面、 すなわち p型半導体層 1 0 4の表面 1 0 4 a又は透光性 基板 1 0 1の表面 （図示せず） から外部に出射される。

光の出射面 1 0 4 aでは、 外側の媒質と内側の物質の屈折率の差によって屈折 が生じる。 図 5 5に示すように、 入射角が臨界角以上の光束 C 1は、 出射面 1 0 4 aで全反射され、 出射面 1 0 4 aから外部に出射されずに、 発光素子 1 0 0の 内部を進む。

出射面 1 0 4 aで全反射された光束 C 1は、 発光素子 1 0 0の内部を進み、 出 射面 1 0 4 aと反対側の面 （例えば、 透光性基板 1 0 1の表面） で全反射されて、 再度出射面 1 0 4 aに入射する。 しかしながら、 ダイオード構造 1 0 2の各表面 及び透光性基板 1 0 1の表面は互いに略平行であるので、 反射された光束が出射 面 1 0 4 aに入射する角度は殆ど変化しない。 従って、 出射面 1 0 4 aで全反射 された光束 C 1は、 外部に出射されることなく発光素子 1 0 0の内部で全反射が 繰り返される。 その過程で、 光束の一部が発光素子 1 0 0を構成する物質により 吸収されるので、 発光素子 1 0 0の内部で全反射が繰り返された光束は、 最終的 に発光素子 1 0 0の内部で吸収される。 このため、 発光素子 1 0 0から外部に出 射される光束は、 p n接合面 1 0 5から直接出射面 1 0 4 aに入射する光束の内、 入射角が臨界角以下の光束 C 2のみとなる。

n型半導体層 1 0 3及び p型半導体層 1 0 4の材料を G a Nとし、 透光性基板 1の材料をサファイアとすると、 G a Nの屈折率が約 2 . 5、 サファイアの屈折 率が約 1 . 7 7であり、 それぞれ非常に大きな値である。 図 5 5に示すように、 発光素子 1 0 0が樹脂封止されておらず、 外側の媒質が空気であるとすると、 光 の出射面 1 0 4 aにおける臨界角は Θ臨界 =約 2 3 . 5度となる。 また、 光の出射 面を透光性基板 1 0 1の表面としても、 臨界角は 0臨界 =約 3 4 . 4度となる。 い ずれの場合も、 出射面における出射光束の臨界角は、 小さい角度となる。

上述のように、 従来の発光素子 1 0 0から外部に出射される光束は、 p n接合 面 1 0 5から直接出射面 1 0 4 aに入射する光束の内、 入射角が臨界角以下の成 分に限定されてしまう。 そのため、 非封止構造の発光素子 1 0 0では臨界角が 0 臨界 =約2 3 . 5度又は 0臨界 =約 3 4 . 4度と非常に小さい値であるので、 ： p n接 合面 1 0 5で生じた光束に対する空気中への取り出し効率が約 2 0 %以下となる。 そこで、 従来から、 空気中への光の取り出し効率を向上させるために、 発光素 子 1 0 0の周囲をエポキシ樹脂のような透明で、 かつ比較的屈折率の高い透光性 樹脂層により広範囲に封止し、 発光素子 1 0 0と透光性樹脂層との界面 （例えば p型半導体層 1 0 4の表面 1 0 4 a ) における両側の物質の屈折率の差を小さく して、 臨界角を大きくしている。

このように、 発光素子 1 0 0の周囲を透光性樹脂層で封止した場合、 発光素子 1 0 0から透光性樹脂層内部への光の取り出し効率は向上するが、 透光性樹脂層 の表面と空気との界面でも、 屈折率の違いによって屈折が生じる。 そのため、 透 光性樹脂層の表面形状によつて空気中への光の取り出し効率が異なることになる。 例えば、 ダイオード構造の表面と透光性樹脂層の表面とが略平行な場合、 ダイ オード構造を構成する物質の屈折率を n。、 透光性樹脂層の屈折率を ηい 外側の 媒質の屈折率を η ₂とし、 透光性樹脂層と外側の媒質の界面で全反射する場合の ダイォード構造と透光性樹脂層との界面における臨界角を 0 0、 透光性樹脂層と 外側の媒質との界面における臨界角を 0 iとすると、 臨界角 0。， 0 iは次式のよ うに表される。 0 ₀= s i n— ¹ (n _x/ n ₀)

Θ ! = s i n— ¹ ( n ₂/ n ₁ )

ここで、 n o X s i n e o n X s i n e という関係が成り立つので、

s' ί η θ ₀ = η ₀) X s Ί η θ

= {η / η ₀) X s i n ( s i n一¹ (n ₂/ _τ) )

となる。

従って、 ダイオード構造から外側の媒質へ出射する光束の臨界角は s i n一¹ (n ₂/n ₀) となる。 すなわち、 ダイオード構造が透光性樹脂層で封止されてい ない場合の臨界角 0。と同じ式で表される。 ダイォード構造の表面と透光性樹脂 層の表面が略平行な場合、 臨界角はダイォード構造を構成する物質の屈折率と空 気の屈折率にのみ依存することになり、 透光性樹脂層で封止したとしても、 光の 取り出し効率を向上させることができない。

一方、 発光素子が点光源と見なせる程度に透光性樹脂層を大きく し、 かつ発光 素子から出射される光束が出射面に対して略垂直に入射するように、 透光性樹脂 層の出射面を略球面状に形成すれば、 透光性榭脂層と外側の媒質との界面での全 反射を極力少なくして、 空気中へ出射する光束を最大にすることができる。 この 場合、 空気中への光の取り出し効率は、 p n接合面で生じた光束の 3 5〜4 0 % 程度となる。

上述のように、 従来の非封止の発光素子では、 空気中への光の取り出し効率が 非常に小さい。 一方、 透光性樹脂で封止した封止型の発光素子では、 空気中への 光の取り出し効率は向上するものの、 発光素子 （発光部） が熱伝導率の小さい透 光性樹脂層で覆われているため、 発光素子で発生した熱が電極又はリード線を介 して外部に伝導することでしか放熱されず、 放熱性が悪く、 発光素子の寿命が低 下する。

また、 発光素子の発光色が青色又は紫外光の場合、 短波長域での光束密度が大 きいため、 発光部を封止する透光性樹脂層が劣化しやすく、 発光素子の寿命が低 下する。 さらに、 発光素子を封止する透光性樹脂層の大きさが発光素子に比べて はるかに大きいため、 発光素子全体が大型化し、 材料コストも高くなる。 発明の開示

本発明は上記従来の発光素子の問題点を解決するためになされたものであり、 非封止型の発光素子の長寿命化を図りつつ、 従来の封止構造の発光素子の内最高 レベルのものと同等の光取り出し効率が得られる発光素子、 それを用いた発光装 置及び面発光照明装置を提供することを目的としている。

本発明の第 1の態様に係る発光素子は、 透光性基板の 1つの面上に n型半導体 層と p型半導体層を積層して形成されたダイォード構造を有する非封止型の発光 素子であって、 光の出射面が前記ダイォード構造の各面のうち前記透光性基板と は反対側の面に対して非平行である。

このような構成によれば、 従来の発光素子であれば、 癸光素子の光の出射面と 他の面との間で全反射が繰り返され、 発光素子を構成する物質により吸収されて いた光束が、 全反射を繰り返すたびに光の出射面への入射角が次第に小さくなり、 臨界角よりも小さくなつて光の出射面から外部に出射される。 その結果、 発光素 子から外部に放射される光の取り出し効率を向上させることができる。 その結果、 非封止型の発光素子であつても、 従来の封止型の発光素子の内最高レベルのもの と同等の光取り出し効率が得られる。 また、 発光素子が樹脂で封止されていない ので、 発光素子自体を小型化することができると共に、 材料コス トを低減させる ことができる。 さらに、 発光素子を実装基板に対してフェースダウン及ぴフエ一 スアップのいずれの状態でも実装することができる。

また、 本発明の第 2の態様に係る発光装置は、 実装基板上に実装された非封止 型の発光素子、 及び前記発光素子の光の出射面の前方に設けられ、 前記発光素子 から放射された光により励起され、 励起波長とは異なる波長の光を放射する蛍光 部材を備えた発光装置であって、 前記発光素子は、 透光性基板の 1つの面上に n 型半導体層と ; p型半導体層を積層して形成されたダイォード構造を有し、 前記光 の出射面が前記ダイォード構造の各面のうち前記透光性基板とは反対側の面に対 して非平行である。

このような構成によれば、 上記本発明の第 1の態様に係る発光素子を用いて、 蛍光体による波長変換を利用した発光装置が構成されているので、 発光装置の発 光部を小型化することができ、 発光装置自体も小型化することができる。 特に、 小型化された発光素子を複数個用いることにより、 従来のものと同程度の大きさ で発光輝度の高い発光装置を提供することができる。

さらに、 本発明の第 3の態様に係る面発光照明装置は、 実装基板上に実装され た 1又は複数の非封止型の発光素子と、 前記発光素子から放射された光により励 起され、 励起波長とは異なる波長の光を放射する蛍光体を含む材料で形成された 板状の蛍光部材とを備えた面発光照明装置であって、 前記発光素子は、 透光性基 板の 1つの面上に n型半導体層と p型半導体層を積層して形成されたダイォード 構造を有し、 前記発光素子から放射される光束が所定の配光分布を有するように、 前記光の出射面が前記ダイォード構造の各面のうち前記透光性基板とは反対側の 面に対して所定の形状に形^されている。

このような構成によれば、 上記本発明の第 1の態様に係る発光素子を用いて、 蛍光体による波長変換を利用した面発光照明装置が構成されているので、 従来の ものと同じ大きさの筐体により多くの発光素子を実装することができ、 高輝度の 面発光照明装置を提供することができる。 さらに、 発光素子の光の出射面の形状 を適宜選択することにより、 配光分布を任意に制御することができ、 輝度分布が より均一な面発光照明装置を提供することができる。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の第 1の実施の形態に係る発光素子の構成を示す断面図である。 図 2は、 第 1の実施の形態に係る発光素子における光路を示す図である。

図 3は、 第 1の実施の形態に係る発光素子の変形例の構成を示す断面図である。 図 4は、 図 3に示す変形例における傾斜板の固定方法を示す断面図である。

図 5は、 本発明の第 2の実施の形態に係る発光素子の構成を示す断面図である。 図 6 Aは、 第 2の実施の形態に係る発光素子における光路を示す図である。

図 6 Bは、 第 2の実施の形態に係る発光素子における光路を示す図である。

図 6 Cは、 第 2の実施の形態に係る発光素子における光路を示す図である。

図 7は、 第 2の実施の形態に係る発光素子の変形例の構成を示す断面図である。 図 8は、 第 2の実施の形態に係る発光素子の他の変形例の構成を示す断面図で ある。 図 9 Aは、 本発明の第 3の実施の形態に係る発光素子の第 1の構成例を示す平 面図である。

図 9 Bは、 上記第 1の構成例の断面図である。

図 1 0は、 第 3の実施の形態における四角錐状の透光性基板の底面の最大幅に 対する高さの比率と光の取り出し効率との関係を示すグラフである。

図 1 1 Aは、 本発明の第 3の実施の形態に係る発光素子の第 2の構成例を示す 平面図である。

図 1 1 Bは、 上記第 2の構成例の断面図である。

図 1 2 Aは、 本発明の第 3の実施の形態に係る発光素子の第 3の構成例を示す 平面図である。

図 1 2 Bは、 上記第 3の構成例の断面図である。

図 1 3は、 第 3の実施の形態における略半球状の透光性基板の底面の直径に対 する高さの比率と光の取り出し効率との関係を示すグラフである。

図 1 4 Aは、 本発明の第 4の実施の形態に係る発光素子の第 1の構成例を示す 平面図である。

図 1 4 Bは、 上記第 1の構成例の断面図である。

図 1 5 Aは、 第 4の実施の形態に係る発光素子の第 2の構成例を示す平面図で あ

図 1 5 Bは、 上記第 2の構成例の断面図である。

図1 6 は、 第 4の実施の形態に係る発光素子の第 3の構成例を示す平面図で める。

図 1 6 Bは、 上記第 3の構成例の断面図である。

図 1 7は、 第 4の実施の形態に係る発光素子の変形例を示す断面図である。

図 1 8は、 第 4の実施の形態に係る発光素子の他の変形例を示す断面図である。 図 1 9は、 本発明の第 5の実施の形態に係る発光素子の第 1の構成例を示す断 面図である。

図 2 0は、 第 5の実施の形態に係る発光素子の第 2の構成例を示す断面図であ る。

図 2 1は、 第 5の実施の形態に係る癸光素子の第 3の構成例を示す断面図であ る。

図 2 2は、 第 5の実施の形態に係る発光素子の第 4の構成例を示す断面図であ る。

図 2 3は、 第 5の実施の形態に係る発光素子の第 5の構成例を示す断面図であ る。

図 2 4は、 第 5の実施の形態に係る発光素子の第 6の構成例を示す断面図であ る。

図 2 5は、 本発明の第 6の実施の形態に係る発光素子の構成を示す断面図であ る。

図 2 6は、 本発明の第 7の実施の形態に係る発光素子の構成を示す断面図であ る。

図 2 7は、 第 7の実施形態に係る発光素子の変形例を示す図である。

図 2 8は、 本発明の第 8の実施の形態に係る発光装置の構成を示す断面図であ る。

図 2 9は、 第 8の実施の形態に係る発光装置の変形例の構成を示す断面図であ る。

図 3 0は、 第 8の実施の形態に係る発光装置の別の変形例の構成を示す断面図 である。

図 3 1は、 第 8の実施の形態に係る宪光装置のさらに別の変形例の構成を示す 断面図である。

図 3 2は、 本発明の第 9の実施の形態に係る発光装置の構成を示す断面図であ る。

図 3 3は、 第 9の実施の形態に係る発光装置の変形例の構成を示す断面図であ る。

図 3 4は、 本発明の第 1 0の実施の形態に係る発光素子における実装基板に発 光素子を実装するための凹部の第 1の構成例を示す断面図である。

図 3 5は、 第 1 0の実施の形態の第 2の構成例を示す断面図である。

図 3 6は、 本発明の第 1 1の実施の形態に係る発光素子における実装基板の凹 部に発光素子を固定する方法の第 1の構成例を示す断面図である。 図 3 7は、 第 1 1の実施の形態の第 2の構成例を示す断面図である。 図 3 8は、 第 1 1の実施の形態の第 2の構成例における透光性中間層の屈折率 n と臨界角 0。の関係を示すグラフである。

図 3 9は、 第 1 1の実施の形態の第 3の構成例を示す断面図である。

図 4 0は、 本発明の第 1 2の実施の形態に係る面発光照明装置の第 1の構成例 を示す断面図である。

図 4 1は、 従来の発光素子の配光分布を示すグラフである。

図 4 2は、 完全拡散配光の場合の鉛直軸に対して任意の角度 _αの範囲から放射 される光束 Φ を説明する図である。

図 4 3は、 頂角が 2 0 ° の円錐状の透光性基板又は透光性部材を有する発光素 子の配光分布を示すグラフである。

図 4 4は、 頂角が 4 0 ° の円錐状の透光性基板又は透光性部材を有する発光素 子の配光分布を示すグラフである。

図 4 5は、 頂角が 6 0 ° の円錐状の透光性基板又は透光性部材を有する発光素 子の配光分布を示すグラフである。

図 4 6 Αは、 第 1 2の実施の形態に係る面発光照明装置において用いられる三 角柱状の透光性基板又は透光性部材を用いた発光素子の構成を示す斜視図である。 図 4 6 Bは、 第 1 2の実施の形態に係る面発光装置において用いられる発光素 子の変形例の構成を示す斜視図である。

図 4 7は、 三角柱状の透光性基板を用いた発光素子の配光分布を示すグラフで める。

図 4 8は、 第 1 2の実施の形態の第 2の構成例を示す断面図である。

図 4 9は、 第 1 2の実施の形態の第 2の構成例における発光素子の透光性基板 又は透光性部材の頂角 γ ₂と、 導光部材の凹部の開き角 γェの関係を示す断面拡大 図である。

図 5 0は、 開き角 γ を変化させた場合において、 導光部材の内部で反射され ずに直接出射される光の割合を示すグラフである。

図 5 1は、 本発明の第 1 3の実施の形態に係る面発光照明装置の構成を示す平 面断面図である。 図 5 2は、 図 5 1に示す面発光照明装置の正面断面図である。

図 5 3は、 第 1 3の実施の形態の面発光照明装置において用いられる発光素子 の構成を示す斜視図である。

図 5 4は、 シリンドリカルレンズ状の透光性基板又は透光性部材を有する発光 素子の配光分布を示すグラフである。

図 5 5は、 非封止構造の従来の発光素子において、 p n接合面で生じた光が出 射面から出射される経路を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

第 1の実施の形態

本発明の第 1の実施の形態について説明する。 図 1は、 第 1の実施の形態に係 る発光素子 1 0の構成を示す断面図である。 発光素子 1 0は、 例えばサファイア で形成された透光性基板 1 1と、 透光性基板 1 1の下面 1 1 bに設けられた n型 半導体層 1 3と： p型半導体層 1 4の積層構造からなるダイォード構造 1 2を有す る。 透光性基板 1 1は、 ダイォード構造 1 2の n型半導体層 1 3と p型半導体層 1 4の積層方向の断面における上面 1 1 aが下面 1 1 bに対して傾斜した形状に 形成され、 また積層方向に直交する方向の断面が略矩形である。 n型半導体層 1 3及ぴ p型半導体眉 1 4の透光性基板 1 1とは反対側の面には、 それぞれバンプ 電極 1 6 a及び 1 6 bが設けられており、 実装基板 1 7にフェースダウンの状態 で実装されている (フリップチップ実装) 。

第 1の実施の形態では、 透光性基板 1 1の上面 1 1 aを光の出射面 （以下、 「出射面 l l a」 とする） とし、 この出射面 1 1 aをダイオード構造 1 2の各面 のうち透光性基板 1 1とは反対側の面、 すなわち P型半導体層 1 4の下面 1 4 a に対して傾斜させることによって非平行としている。 p n接合面 1 5で生じた光 束が出射面 1 1 aに入射すると、 入射した光束の内、 出射面 1 1 aに対する入射 角が臨界角よりも小さい成分は外部に出射され、 臨界角よりも大きい成分は出射 面 1 1 aで全反射されて発光素子 1 0の内部を進む。 そして、 p型半導体層 1 4 の下面 1 4 aや透光性基板 1 1の側面などに入射した光束のうち臨界角以上の入 射角を有する光束は再ぴ全反射され、 発光素子 1 0の内部を出射面 1 1 aに向か つて進む。

図 2に、 発光素子 1 0中の光路を示す。 図に示すように、 出射面 1 1 aを p型 半導体層 1 4の下面 1 4 aに対して傾斜させているので、 出射面 1 1 aと p型半 導体層 1 4の下面 1 4 aとの間で全反射が繰り返される光束の出射面 1 1 aへの 入射角 Θ 1、 Θ 2 · · ·が徐々に小さくなる。 そして、 出射面 1 1 aへの入射角が 臨界角よりも小さくなつたときに、 出射面 1 1 aから外部に出射される。 その結 果、 出射面 1 1 aから外部に出射する光束の割合、 すなわち光の取り出し効率を 向上させることができる。

また、 発光素子 1 0自体が透光性樹脂で封止されていないので、 透光性樹脂の 劣化による発光素子の短寿命化が問題となることはない。 また、 ダイオード構造 1 2が直接空気に接触しているため、 放熱性が向上し、 発光素子 1 0の長寿命化 を図ることができる。 さらに、 ダイオード構造 1 2の放熱性が向上するため、 透 光性樹脂で封止した場合と同程度の温度上昇であれば、 より大きな電流を流すこ とができ、 より大きな光束を得ることができる。 さらに、 ダイオード構造 1 2が 透光性樹脂で封止されていないため、 樹脂で封止されている場合に比べて製造コ ス トを削減することができる。 また、 発光素子 1 0自体を小型化することができ る。 その結果、 第 1の実施の形態に係る発光素子 1 0が実装された機器全体の小 型化も図ることができる。

なお、 透光性基板 1 1の材料は、 サファイアに限定されず、 S i C、 ガラス、 アクリル樹脂など、 他の透光性材料を用いた場合であっても同様の効果を奏する ことは言うまでもなレ、。 また、 透光性基板 1 1の傾斜した面 1 1 &に 1ゃ _§ などのコーティングを施して全反射処理し、 上記発光素子 1 0をフェースアップ の状態で実装基板に実装しても、 同様に、 発光素子 1 0を樹脂で封止することな く、 光の取り出し効率を向上させることができる。 伹しこの場合は、 p型半導体 層 1 4の面 1 4 aが出射面となる。 また、 フェースアップの状態で半導体面 1 4 aを傾斜させて透光性基板側の面 1 1 bに対して非平行としても同様の効果が得 られる。

次に、 第 1の実施の形態に係る発光素子 1 0の変形例を図 3に示す。 この変形 例では、 透光性基板 1 1が、 例えばサファイアで形成された平行板 1 1 Aと、 例 えばァクリル樹脂などで形成された透光性部材 （傾斜板） 1 1 Bとで構成され、 平行板 1 1 Aと透光性部材 1 1 Bとが、 例えば透光性で、 かつ高屈折率を有する 接着剤又はシリコーン樹脂 1 1 Cで接着されている。 ダイオード構造 1 2は、 平 行板 1 1 Aの下面 （第 1面） 1 l bに形成されている。 透光性部材 1 1 Bは、 そ の下面 （第 3面） が平行板 1 1 Aの上面 （第 2面） に接着剤を介して密着され、 透光性部材 1 1 Bの上面 （第 4面） 1 1 aを、 ダイオード構造 1 2の各面のうち 透光性基板 1 1とは反対側の p型半導体層 1 4の下面 1 4 aに対して傾斜させて いる。

このような変形例の構成によっても、 上記第 1の実施の形態と同様の効果が得 られる。 さらに、 加工の困難なサファイア基板を平行板とし、 傾斜面を比較的加 ェが容易なァクリル樹脂などで形成することにより、 製造工程が増加するものの、 透光性基板 1 1の加工コストを低減させることができる。 なお、 透光性部材 1 1 Bの材料としては、 アクリル樹脂の他に、 ガラス、 シリコーン樹脂、 その他の透 光性材料を用いることができる。

さらに、 この変形例における透光性部材 1 1 Bの固定方法として、 例えば図 4 に示すように、 発光素子 1 0を実装基板 1 7上に固定した後、 その周囲にシリコ ーン樹脂 1 8を充填し、 透光性部材 1 1 Bの一部をシリコーン樹脂 1 8に埋め込 むようにしてもよい。 また、 透光性部材 1 1 Bの設置方法はこれに限定されず、 平行板 1 1 Aの上面に光学的に密着して設置される方法であれば同様の効果を示 す。 第 2の実施の形態

次に、 本発明の第 2の実施の形態について説明する。 上記第 1の実施の形態で は、 透光性基板 1 1の出射面 （上面） 1 1 aを、 p型半導体層 1 4の下面 1 4 a に対して傾斜させているが、 第 2の実施の形態に係る発光素子 2 0では、 図 4に 示すように、 透光性基板 2 1の出射面 （上面） 2 1 aが粗面となるように、 多数 の凸部 2 1 bが形成されている。 その結果、 各凸部 2 l bの表面は、 ダイオード 構造 1 2の各面のうち透光性基板 1 1とは反対側の面、 すなわち p形半導体層 1 4の下面 1 4 aに対して非平行な面となる。 なお、 透光性基板 2 1の出射面 2 1 aの形状以外は上記第 1の実施の形態の場合と同様であるため、 同一の構成要素 には同一の符号を付して、 その説明を省略する。 また、 図 4では図示を省略して いるが、 n型半導体層 1 3及び p型半導体層 1 4の下面にはそれぞれバンプ電極 が形成されており、 バンプ電極を用いて実装基板にフェースダウンの状態で実装 されている。 これらの点に関しては、 特に記載しない限り他の実施の形態におい ても同様である。

図 4から分かるように、 透光性基板 2 1の出射面 2 1 aに形成された各凸部 2 l bの断面形状は、 それぞれ先端が細くなつた楔形状に形成されており、 かつそ の形状は一定ではない。 凸部 2 1 bの形状及び配置はランダムであってもよいし、 予め設定された複数の形状の凸部 2 1 bが一定のパターンで周期的に形成された ものであってもよい。

ここで、 ： p n接合面 1 5で生じた光束が、 透光性基板 2 1の出射面 2 1 aに形 成された凸部 2 1 bに入射した場合について説明する。 入射光束の内、 凸部 2 1 bの表面に対する入射角 Θが臨界角よりも小さい光束は、 図 6 Aに示すように、 そのまま凸部 2 1 bの表面から外部に出射される。 一方、 凸部 2 1 bの表面に対 する入射角 Θが臨界角よりも大きい光束は、 凸部 2 1 bの表面で全反射されて、 凸部 2 1 bの内部を進む。 しかしながら、 凸部 2 1 bの断面形状が、 それぞれ先 端が細くなつた楔形状であるので、 図 6 B又は図 6 Cに示すように、 凸部 2 l b 内を先端側に向かって進行するように、 凸部 2 1 bの表面で反射される。 そして、 凸部 2 1 bの表面で全反射されるたびに、 凸部 2 1 bの表面に対する入射角が小 さくなり、 0度、 すなわち垂直に近付くので、 最終的に入射角が臨界角以下とな り、 ύ部 2 1 bの表面から外部に出射される。 従って、 第 1の実施の形態の場合 と同様に、 発光素子 2 0が樹脂で封止されていなくても、 光の取り出し効率を向 上させることができる。

次に、 第 2の実施の形態に係る発光素子 2 0の変形例を図 7に示す。 この変形 例では、 透光性基板 2 1が、 例えばサファイアで形成された平行板 2 1 Aと、 平 行板 2 1 Aの上に、 例えばエポキシ樹脂のような透明で高屈折率の樹脂を塗布し て形成された透光性部材 2 1 Bで構成されている。 さらに、 出射面 2 1 aを粗面 とするように、 透光性部材 2 1 Bの表面に多数の凸部 2 1 bが形成されている。 凸部 2 1 bの形状を含むその他の構成については、 上記図 5に示す場合と同様で あるため、 説明を省略する。

ここで、 サファイアの屈折率は約 1 . 7 7であり、 エポキシ樹脂の屈折率は約 1 . 5 3であり、 その差が小さいため、 平行板 2 1 Aと透光性部材 2 1 Bの界面 での臨界角は約 1 2 0度と大きく、 p n接合面 1 5で生じた光の大部分が平行板 2 1 Aを介して透光性部材 2 1 B内に入射する。 そして、 透光性部材 2 1 B内に 入射した光束は、 さらに透光性部材 2 1 Bの出射面 2 1 aに設けられた凸部 2 1 b内に入射する。 凸部 2 1 b内に入射した光束の挙動についても、 上記図 6 A〜 図 6 Cに示した通りである。

さらに、 第 2の実施の形態に係る発光素子 2 0の別の変形例を図 8に示す。 こ の変形例では、 発光素子 2 0をフェースアップの状態で実装基板に実装するもの であり、 p型半導体層 1 4の表面 1 4 aに、 例えばエポキシ樹脂のような透明で 高屈折率の樹脂を塗布して透光性部材 2 2を形成し、 透光性部材 2 2の表面に多 数の凸部 2 2 bを形成して出射面 2 2 aを粗面としている。 個々の凸部 2 2 の 断面形状は先端が細くなつた楔形状に形成されている。 また、 透光性基板 2 1の 両面は互いに平行である。

これらの変形例の構成によれば、 加工の困難なサファイアを平行板とし、 比較 的加工が容易なエポキシ樹脂などを塗布して透光性部材を形成し、 その表面に複 数の凸部を形成して粗面としているので、 製造工程が増加するものの、 透光性基 板 2 1の加工コス トを低減させることができる。 なお、 透光性部材の材料として は、 エポキシ樹脂の他に、 シリコーン樹脂などのその他の透明で高屈折率の樹脂 を用いることができる。 さらに、 平行板又は透光性基板の材料として、 サフアイ ァの他に、 ガラスやアクリル樹脂などを用いることができる。 第 3の実施の形態

次に、 本発明の第 3の実施の形態について説明する。 上記第 1の実施の形態で は、 透光性基板 1 1の上面 1 1 aを下面 1 1 bに対して傾斜させ、 また第 2の実 施の形態では、 透光性基板 2 1の上面 2 1 aを粗面としたが、 第 3の実施の形態 では、 透光性基板 3 1を多角錐状、 円錐状又は略半球状としたものである。 図 9 A及ぴ図 9 Bは、 第 3の実施の形態に係る発光素子 3 0の第 1の構成例を 示す。 第 1の構成例では、 例えばサファイアなどの単一材料で形成された透光性 基板 3 1が正四角錐状を有し、 その底面に n型半導体層 1 3と : p型半導体層 1 4 とを積層してなるダイオード構造 1 2が設けられている。 なお、 透光性基板 3 1 の形状以外は上記第 1の実施の形態の場合と同様である。

透光性基板 3 1を正四角錐状とすることにより、 出射面 3 1 aとなる 4つの斜 面が、 それぞれ p型半導体層 1 4の下面 1 4 aに対して傾斜しているので、 上記 第 1の実施の形態で説明したように、 光の取り出し効率を高めることができる。 透光性基板 3 1の底面 3 1 bの最大幅 （すなわち底面 3 1 bの対角線寸法 a) に対する高さ bの比率 （b/a) に応じて、 出射面 3 1 aの傾斜角度が変化する ので、 底面 3 1 bの対角線寸法 aに対する高さ bの比率 （b/a) を変化させる ことにより、 光の取り出し効率を変化させることができる。 図 1 0は、 上記比率 (b/a) を変化させ、 光の取り出し効率を求めた結果を示している。 この結果 から、 比率 （bZa) を約 0. 4以上で、 かつ、 約 4. 5以下に設定すれば、 光 の取り出し効率が約 3 5%以上となり、 従来の発光素子の光の取り出し効率 （約 2 2〜2 3 °/₀) に対して約 1. 5倍以上の値にすることができる。 例えば、 透光 性基板 3 1が正四角錐状であって、 底辺の長さを 3 5 0 μπι (すなわち対角線寸 法 aが 4 9 5 t m) 、 高さ bを 3 00 /zmとすると、 対角線寸法 aに対する高さ bの比率が約 0. 6となり、 光の取り出し効率の最高効率約 3 7. 5%が得られ る。

図 1 1 A及び図 1 1 Bは、 第 3の実施の形態に係る発光素子 3 0の第 2の構成 例を示す。 第 2の構成例では、 例えばサファイアなどの単一材料で形成された透 光性基板 3 1を円錐状としている。 この場合、 透光性基板 3 1の底面 3 1 bに外 接するように、 η型半導体層 1 3と ρ型半導体層 14とを積層してなるダイォー ド構造 1 2が設けられている。 円錐状の透光性基板 3 1の底面の直径 aに対する 高さ bを上記正四角錐状の場合と同様に設定することにより、 光の取り出し効率 を向上させることができる。

図 1 2 A及び図 1 2 Bは、 第 3の実施の形態に係る発光素子 3 0の第 3の構成 例を示す。 第 3の構成例では、 例えばサファイアなどの単一材料で形成された透 光性基板 3 1を略半球状 （略球面状） としている。 このように、 透光性基板 3 1 を略半球状としても、 出射面 3 1 aとなる球面が r>型半導体層 1 4の下面 1 4 a に対して傾斜するので、 上記第 1の実施の形態で説明したように、 光の取り出し 効率を高めることができる。

透光性基板 3 1の底面 3 1 bの最大幅 （すなわち底面の直径 c) に対する高さ bの比率 (b/c) に応じて、 出射面 3 1 aの傾きが変化するので、 底面 3 1 b の直径 cに対する高さ bの比率 （b/c) を変化させることにより、 光の取り出 し効率を変化させることができる。 図 1 3は、 上記比率 （b/c) を変化させ、 光の取り出し効率を求めた結果を示している。 この結果から、 上記比率 （bZ c ) を約 0. 3以上に設定すれば、 光の取り出し効率約 3 5 %が得られる。 さら に、 上記比率 （bZc ) を約 0. 5にすれば光の取り出し効率の最高効率約 3 6 %が得られることが判明した。 例えば、 ダイオード構造 1 2の形状を一辺が 3 5 0 mの正方形とし、 ダイォード構造 1 2が透光'性基板 3 1の底面 3 1 bに内 接するように底面 3 1 bの直径 cを設定すると、 底面 3 1 bの直径 cは約 4 9 5 i mとなる。 透光性基板 3 1の高さ bを約 1 6 とすると、 底面 3 1 bの直 径 cに対する高さの比率が約 0. 3となるので、 従来の発光素子に比べて光の取 り出し効率を十分高い値に設定することができる。

表 1は、 ダイオード構造 1 2のサイズを一辺が 3 5 0 μΐηの正方形とし、 透光 性基板 3 1の形状及び高さ bを変化させた場合の光の取り出し効率を光学シミュ レーシヨンにより求めた結果を示す。 N o. l〜N o . 3は、 透光性基板 3 1の 形状を直方体形状 （図 5 5に示す、 上面と下面とが平行な従来の透光性基板 1 0 1と同等） とし、 高さを変化させた場合のシミュレーション結果である。 N o . 4〜N o . 9は、 透光性基板 3 1の形状を錐体状として高さを変化させた場合の シミュレーション結果である。 また、 N o. 1 0〜N o. 1 3は、 透光性基板 3 1の形状を略半球状 （略球面状） として高さを変化させた場合のシミュレーショ ン結果である。 (表 1 )

表 1から分かるように、 透光性基板 3 1の形状を直方体形状とした場合の光の 取り出し効率が 2 2 %であるのに対して、 錐体状とした場合の取り出し効率は最 大で 3 8 %となり、 光の取り出し効率を向上させることができる。 また、 透光性 基板 3 1の形状を半球形状とした場合の取り出し効率は最大で 3 6 %であるが、 錐体状とした場合に比べて、 透光性基板の高さを低く しても同程度の取り出し効 率を得ることができる。

なお、 第 3の実施の形態では、 透光性基板 3 1の形状を多角錐状、 円錐状又は 略半球状としたが、 透光性基板 3 1の形状をこれらに限定する趣旨のものではな く、 例えば後述する図 4 6 Aに示す三角柱状 （複数の傾斜面の組み合わせ） や図 5 3に示すシリンドリカルレンズ状 (略円筒面状） など、 透光性基板の出射面が その入射面 （底面） に対して非平行な形状であればよい。 第 4の実施の形態

次に、 本発明の第 4の実施の形態について説明する。 上記第 3の実施の形態で は、 サファイアなどの単一材料を多角錐状、 円錐状又は略半球状に形成して透光 性基板 3 1としたが、 第 4の実施の形態では、 透光性基板 4 1が、 サファイアな どで形成された平行板 4 1 Aと、 平行板 4 1 Aの上面にエポキシ樹脂ゃシリコー ン樹脂などの略透明で高屈折率の樹脂により多角錐状、 円錐状又は略半球状 （略 球面状） の透光性部材 4 1 Bで構成されている。

図 1 4 A及び図 1 4 Bは、 第 4の実施の形態に係る発光素子 4 0の第 1の構成 例を示す。 第 1の構成例では、 透光性基板 4 1として、 平行板 4 1 Aを、 上面と 下面が互いに平行で、 かつ、 水平方向の断面が正方形の略直方体とし、 透光性部 材 4 1 Bを正四角錐状としている。 また、 平行板 4 1 Aの底面に n型半導体層 1 3と : p型半導体層 1 4とを積層してなるダイォード構造 1 2が設けられている。 図 1 5 A及び図 1 5 Bに示す第 2の構成例では、 透光性部材 4 1 Bを円錐状と している。 また、 図 1 6 A及び図 1 6 Bに示す第 3の構成例では、 透光性部材 4 I Bを略半球状 （略球面状） としている。

第 4の実施の形態によれば、 加工の困難なサファイアを平行板とし、 比較的加 ェが容易なエポキシ樹脂などを用いて透光性部材 4 1 Bを多角錐状、 円錐状又は 略半球状に形成しているので、 製造工程が増加するものの、 透光性基板 4 1の加 ェコストを低減させることができる。

表 2は、 上記表 1と同じ条件で透光性部材 4 1 Bの形状及び高さ bを変化させ た場佘の光の取り出し効率を光学シミュレーションにより求めた結果を示す。 N o . 1〜N o . 3は、 透光性基板 4 1の透光性部材 4 1 Bの形状を直方体形状と し、 高さを変化させた場合のシミュレーション結果である。 N o . 4〜N o . 7 は、 透光性基板 4 1の透光性部材 4 1 Bの形状を錐体状として高さを変化させた 場合のシミュレーション結果である。 また、 N o . 8〜N o . 1 1は、 透光性基 板 4 1の透光性部材 4 1 Bの形状を略半球状 （略球面状） として高さを変化させ た場合のシミュレーション結果である。 (表 2 )

表 2から分かるように、 透光性部材 4 1 Bの形状を直方体形状とした場合の光 の取り出し効率が 2 3 %であるのに対して、 錐体状とした場合の取り出し効率は 最大で 3 8 %となり、 光の取り出し効率を向上させることができる。 また透光性 部材 4 1 Bの形状を略半球形状とした場合の取り出し効率は最大で 3 6 %である が、 錐体状とした場合に比べて、 透光性基板の高さを低くしても同程度の取り出 し効率を得ることができる。

さらに、 第 4の実施の形態に係る発光素子 4 0の変形例を図 1 7及び図 1 8に 示す。 これらの変形例は、 発光素子 4 0をフェースアップの状態で実装基板に実 装するものであり、 p型半導体層 1 4の表面 1 4 aに、 例えばエポキシ樹脂のよ うな透明で高屈折率の樹脂を塗布することにより透光性部材 4 2が設けられてい る。 図 1 7では、 透光性部材 4 2を多角錐状又は円錐状としている。 また、 図 1 8では、 透光性部材 4 2を略半球状としている。

表 3は、 上記変形例において、 表 1と同じ条件で透光性部材 4 2の形状及び高 さ bを変化させた場合の光の取り出し効率を光学シミュレーションにより求めた 結果を示す。 N o . l〜N o . 3は、 透光性部材 4 2の形状を直方体形状とし、 高さを変化させた場合のシミュレーション結果である。 N o . 4〜N o . 9は、 透光性部材 4 2の形状を錐体状として高さを変化させた場合のシミュレーション 結果である。 また、 N o . 1 0〜N o . 1 3は、 透光性部材 4 2の形状を略半球 状 （略球面状） として高さを変化させた場合のシミュレーション結果である。

(表 3 )

表 3から分かるように、 透光性部材 4 2の形状を直方体形状とした場合の光の 取り出し効率が 2 3 %であるのに対して、 錐体状とした場合の取り出し効率は最 大で 3 1 %となり、 光の取り出し効率を向上させることができる。 また透光性部 材 4 2の形状を略半球形状とした場合の取り出し効率は最大で 3 1 %であるが、 錐体状とした場合に比べて、 透光性基板の高さを低くしても同程度の取り出し効 率を得ることができる。 第 5の実施の形態

次に、 本発明の第 5の実施の形態について説明する。 上記第 3及び第 4の実施 の形態では、 透光性基板 3 1又は 4 1の全体が 1つの多角錐状、 円錐状又は略半 球状に形成されているが、 第 5の実施の形態では、 透光性基板 5 1の出射面 5 1 aに複数の多角錐状、 円錐状又は略半球状の凸部 5 1 aが形成されている。 また、 第 2の実施の形態と比較すると、 透光性基板の出射面に形成されている凸部の形 状及び配列が規則的であるか否かが異なる。

図 1 9は、 第 5の実施の形態に係る発光素子 5 0の第 1の構成例を示す。 第 1 の構成例では、 透光性基板 5 1の出射面 5 1 aに複数の、 例えば正四角錐などの 多角錐状又は円錐状の凸部 5 1 bが規則的に配列されている。 その他の構成は、 図 4に示す第 2の実施の形態の発光素子 2 0又は図 9 A及び図 9 Bに示す第 3の 実施の形態の第 1の構成例の発光素子 3 0と同様である。

個々の多角錐状又は円錐状の凸部 5 1 bに着目すると、 上記第 έの実施の形態 での説明がそのまま当てはまるので、 第 3の実施の形態の場合と同様に、 光の取 り出し効率を従来の発光素子に比べて向上させることができる。 また、 個々の凸 部 5 1 bの対角線寸法に対する高さの比率が、 透光性基板の全体を 1つの錐体と した場合と同じ比率であれば、 対角線寸法が小さい分だけ凸部 5 1 bの高さが低 くなる。 その結果、 発光素子 5 0の全体の高さを低くすることが可能である。 図 2 0に示す第 2の構成例では、 透光性基板 5 1が、 サファイアなどで形成さ れた平行板 5 1 Aと、 エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの略透明で高屈折率の 樹脂により形成された透光性部材 5 1 Bで構成されている。 透光性部材 5 1 Bの 出射面 5 1 aには、 複数の多角錐状又は円錐状の凸部 5 1 bが規則的に配列され ている。 その他は第 1の構成例と同様である。

図 2 1に示す第 3の構成例では、 発光素子 5 0をフェースアップの状態で実装 基板に実装したものであり、 ί>型半導体層 1 4の表面 1 4 aに、 例えばエポキシ 樹脂のような透明で高屈折率の樹脂により透光性部材 5 2が設けられている。 透 光性部材 5 2の出射面 5 2 aには、 複数の多角錐状又は円錐状の凸部 5 1 bが規 則的に配列されている。

図 2 2〜図 2 4は、 それぞれ上記第 4〜第 6の構成例を示し、 第 1〜第 3の構 成例とは、 透光性基板 5 1の出射面 5 1 a又は透光性部材 5 2の出射面 5 2 aに 規則的に配列された複数の凸部 5 1 b又は 5 2 bがそれぞれ略半球状に形成され ている点が異なる。 その他は、 上記第 1〜第 3の構成例と同様である。 第 6の実施の形態

次に、 本発明の第 6の実施の形態について説明する。 図 2 5に示す第 6の実施 の形態の発光素子 4 0 ' は、 図 1 6 A及び図 1 6 Bに示す第 4の実施の形態の第 3の構成例の発光素子 4 0において、 透光性部材 4 1 Bと空気との界面での反射 を防止するための反射防止膜 4 2を形成したものである。 反射防止膜 4 2により、 空気中への光の取り出し効率をさらに高くすることができる。 なお、 反射防止膜 4 2以外の構成は第 4の実施の形態の第 3の構成例と同様であるため、 その説明 を省略する。

反射防止膜 4 2が形成されていない場合、 透光性部材 4 I Bと空気との界面で 全反射が発生して損失が生じるが、 本実施の形態では、 透光性部材 4 1 Bの表面 に、 屈折率が約 1 . 3 6の M g F ₂膜からなる反射防止膜 4 2が単層コーティン グされているので、 透光性部材 4 1 Bと空気との界面で生じる反射損失が低減す る。 なお、 反射防止膜 4 2としては光学多層膜を利用したものでも良く、 例えば T i 0 ₂と S i 0 ₂と A L ₂ 0 ₃の積層膜で反射防止膜 4 2を構成してもよい。

なお、 本実施の形態は、 第 4の実施の形態の発光素子 4 0の出射面 4 1 aに反 射防止膜 4 2が形成されているが、 他の実施の形態に係る発光素子の出射面に反 射防止膜を形成しうることは言うまでもない。 第 7の実施の形態

次に、 本発明の第 7の実施の形態について説明する。 上記第 1から第 6の実施 の形態に係る発光素子では、 透光性基板の非出射面側に単一の n型半導体層 1 3 及び： p型半導体層 1 4を積層してダイオード構造 1 2を形成したが、 図 2 6に示 す第 7の実施の形態に係る発光素子 4 0 " では、 複数の部分に n型半導体層 1 3 及び: p型半導体層 1 4が積層されており、 事実上ダイオード構造 1 2が複数の部 分に分割されている。 なお、 それ以外の構成は上記第 4の実施の形態の第 3の構 成例と同様であるため、 その説明を省略する。 また、 図示を省略しているが、 n 型半導体層 1 3及び p型半導体層 1 4の下面にはそれぞれバンプ電極が形成され ており、 バンプ電極を用いて実装基板にフェースダウンの状態で実装されている。 第 7の実施の形態に係る発光素子 4 0 " のようにダイォード構造 1 2が複数に 分割された構造では、 分割された各部分にそれぞれバンプ電極が設けられ、 実装 基板に接続されるので、 事実上熱伝導経路が増える。 その結果、 発光素子で発生 した熱の放熱性が向上し、 発光素子 4 0 " の寿命を長くすることが可能となる。 また、 発光時における発光素子 4 0 " の温度が低くなるので、 発光素子 4 0 " ら放射される光量が増加する。 さらに、 バンプ電極 1対あたりの n型半導体層 1 3及び p型半導体層 1 4の面積が狭くなるため、 分割された各部分での電流密度 分布がより均一化され、 輝度むらが低減される。

なお、 本実施の形態では、 第 4の実施の形態の発光素子 4 0のダイオード構造 1 2を複数に分割しているが、 他の実施の形態に係る発光素子のダイオード構造 1 2を複数に分割しうることは言うまでもない。 '

また、 図 2 7に示すように、 1つの比較的大きな透光性部材 5 1の下面 （光の 入射面） に密着するように、 例えば図 5 5に示す従来の発光素子 1 0 0と同様の 構成の発光部 6 2を複数個密着するように配置してもよい。 このように、 光の出 射面が入射面に対して非平行な透光性部材 6 1に任意の数の発光部 6 2を密着配 置させることにより、 目的に応じて任意の発光面積を有する発光素子 6 0を提供 することができる。 また、 透光性部材 6 1の存在により、 単に従来の発光素子 1 0 0を複数個配列した場合よりも光の取り出し効率を高くすることができる。 第 8の実施の形態

次に、 本発明の第 8の実施の形態について説明する。 上記第 1から第 7の実施 の形態は、 それぞれ発光素子に関するものであつたが、 第 8の実施の形態は、 上 記いずれかの発光素子を用いた発光装置に関する。

第 8の実施の形態に係る発光装置 2 0 0の構成を図 2 8に示す。 発光装置 2 0 0は、 発光素子 2 0 1を実装するための凹部 2 0 2が形成された実装基板 2 0 3 と、 凹部 2 0 2と対向する位置 （発光素子 2 0 1の光の出射面の前方） に蛍光部 材 2 0 4が設けられた光学部材 2 0 5などで構成されている。

発光素子 2 0 1は、 例えば青色光を放射する青色発光素子であり、 上記第 1か ら第 8の実施の形態に係る発光素子のいずれの構成であってもよい。 発光素子 2 0 1をフェースダウン実装する場合は、 例えば図 1において符号 1 6 a及ぴ 1 6 bで示されたバンプ電極を介して実装基板 2 0 3の回路に電気的に接続されてい る。

蛍光部材 2 0 4は、 例えば青色光により励起されて黄色を発光する蛍光体を含 み、 光学部材 2 0 5に形成された凹部 2 0 7に、 上記蛍光体を含む樹脂が充填さ れることにより形成されている。 蛍光部材 2 0 4は、 上記のように発光素子 2 0 1に対向するように配置されており、 かつ発光素子 2 0 1から放射される光束の 大部分が入射するようにその大きさが設定されている。 光学部材 2 0 5は、 例え ばァクリル樹脂などの透光性材料で形成されており、 蛍光体 2 0 4とは反対側に は、 配光を制御するために、 所望する形状の凸レンズ 2 0 6などが形成されてい る。

発光素子 2 0 1から放射された青色光は、 蛍光部材 2 0 4に入射し、 その一部 が蛍光体を励起して、 入射した青色光とは波長の異なる光を発生させる。 そして、 蛍光部材 2 0 4を透過した青色光と、 蛍光体により発生された光とが混合される ことにより、 例えば白色光が発光装置 2 0 0から出力される。

なお、 発光素子 2 0 1が紫外線を放射する発光素子の場合でも、 蛍光体の種類 を適宜選択することにより、 蛍光体による励起光の混合により白色光を出力する ことができる。

このように、 光学部材 2 0 5内において蛍光部材 2 0 4を発光素子 2 0 1に最 も近い位置に配置することにより、 発光素子 2 0 1から放射された光束を有効に 蛍光部材 2 0 4に入射させることができる。 また、 発光素子 2 0 2とは別部材で ある光学部材 2 0 5が所定の光学形状に形成されると共に、 光学部材 2 0 5に蛍 光部材 2 0 4が設けられているので、 発光素子 2 0 1への応力、 熱、 化学的負荷 が低減される。

さらに、 蛍光部材 2 0 4を発光素子 2 0 1と接しないように、 両者の間に適当 な隙間を設けることにより、 蛍光部材 2 0 4が発光素子 2 0 1からの熱に直接曝 されることがなくなり、 蛍光体や蛍光体を含む樹脂などの劣化が低減される。 そ め結果、 蛍光部材 2 0 4の寿命を延ばすことができ、 これによつて光束減退が抑 えられ、 発光装置 2 0 0の寿命を延ばすことが可能となる。 さらに、 蛍光部材 2 0 4と発光素子 2 0 1とが接していないので、 発光素子 2 0 1の放熱性も良好に なる。

さらに、 劣化の早い蛍光体や蛍光体を含む樹脂などの蛍光部材 2 0 4が光学部 材 2 0 5側に設けられ、 かつ光学部材 2 0 5が実装基板 2 0 3に対して着脱自在 であるので、 蛍光部材 2 0 4の劣化により発光装置 2 0 0の発光特性が劣化した 場合には、 光学部材 2 0 5を新しいものに交換することにより、 蛍光部材 2 0 4 を更新することができる。 その結果、 発光装置 2 0 0の発光特性を初期状態に回 復させることができる。

第 8の実施の形態に係る発光装置の変形例を図 2 9に示す。 図 2 9から明らか なように、 この変形例では、 1つの実装基板 2 0 3上に複数の凹部 2 0 2が形成 され、 各凹部 2 0 2にそれぞれ発光素子 2 0 1が実装されていると共に、 1つの 光学部材 2 0 5上に各凹部 2 0 2と対向する複数の蛍光部材 2 0 4及びレンズ 2 0 6が設けられている。 このような変形例により、 上記と同様の効果を有し、 か つ、 発光部の面積を大きくした面発光装置が得られる。

図 3 0に示す第 8の実施の形態の別の変形例では、 蛍光部材 2 0 4の発光素子 2 0 1側の面が、 実装基板 2 0 3に形成された凹部 2 0 2の開口と略等しい大き さに形成されている。 具体的には、 光学部材 2 0 5の凹所 2 0 7の開口縁と実装 基板 2 0 3の凹部 2 0 2の開口縁を略同じ形状にして、 両者を合致させている。 上記の凹所 2 0 7に蛍光体を含む樹脂を充填すると、 蛍光部材 2 0 4の発光素子 2 0 1側の面が凹部 2 0 2の開口面と略等しい大きさなる。

この変形例の場合、 実装基板 2 0 3及び光学部材 2 0 5の寸法精度が要求され るものの、 蛍光部材 2 0 4の大きさを必要最小限にすることができ、 できるだけ 小さな疑似光源が得られる。 その結果、 光学部材 2 0 5の凸レンズ 2 0 6の光学 形状を適宜選択することにより配光制御が容易になり、 所望の配光分布を実現す ることが可能となる。 さらに、 蛍光部材 2 0 4の発光素子 2 0 1側の面が凹部 2 0 2の開口と略等しい大きさに形成されているので、 蛍光部材 2 0 4での発光部 分の輪郭のぼやけがなくなり、 配光特性が良好となる。

次に、 第 8の実施の形態のさらに別の変形例を図 3 1に示す。 この変形例の発 光装置 2 0 0 ' は、 実装基板 2 0 3の凹部 2 0 2に複数の発光素子 2 0 1が近接 させて実装されたものである。 これに伴い、 実装基板 2 0 3の凹部 2 0 2及ぴ光 学部材 2 0 5の蛍光部材 2 0 4も大型化されている。 この変形例の場合、 複数の 発光素子 2 0 1が用いられているので、 発光素子 2 0 0全体の輝度が高くなると 共に、 各発光素子 2 0 1が蛍光部材 2 0 4の中央部に対向するように配置されて いるので、 蛍光部材 2 0 4における発光も中心部が高輝度となり、 より点光源化 できるため、 狭角配光特性を実現することができる。 第 9の実施の形態 ,

次に、 本発明の第 9の実施の形態について説明する。 第 9の実施の形態に係る 発光装置 2 1 0の構成を図 3 2に示す。 発光装置 2 1 0は、 発光素子 2 0 1が実 装された実装基板 2 0 3と蛍光部材 2 0 4が設けられた光学部材 2 1 1で構成さ れ、 実装基板 2 0 3は上記第 9の実施形態に係る発光装置 2 0 0と同様である。 光学部材 2 1 1は、 蛍光部材 2 0 4により波長変換されて放射された光束のう ち、 光学部材 2 1 1の光取出し面 2 1 2に向かう方向とは異なる方向に放射され た光束を、 光取出し面 2 1 2に向かう方向に反射させるように構成されている。 具体的には、 光学部材 2 1 1の光取出し面 2 1 2とは反対側の面 2 1 3の発光素 子 2 0 1と対向する箇所に凹部 2 1 4が形成され、 m部 2 1 4に蛍光体を含む樹 脂が充填されて蛍光部材 2 0 4が形成されている。 蛍光部材 2 0 4の両側部には、 蛍光部材 2 0 4から光取り出し面 2 1 2とは異なる方向に放射された光束を光取 出し面 2 1 2に向かう方向に全反射させるための傾斜面 2 1 5が形成されている。 なお、 光取り出し面 2 1 2は、 実装基板 2 0 3の上面 2 0 8に対して平行に形成 されている。

通常、 蛍光部材 2 0 4から放射された光束は、 図 3 1において矢印 Aで示すよ うに直接光取出し面 2 1 2 へ向かうものと、 矢印 Bで示すように光取出し面 2 1 2 へ向かわずに略横方向へ向かうものに分かれる。 蛍光部材 2 0 4から略横方向 に放射された光束は、 傾斜面 2 1 5で反射され、 光取り出し面 2 1 2から外部に 放射される。 その結果、 発光装置 2 1 0から放射される光を所定の方向へ配光制 御することができる。

なお、 図 3 3に示すように、 傾斜面 2 1 5及び光取り出し面 2 1 2の背面 2 1 6にアルミ蒸着などによる反射部 2 1 7を設けてもよい。 その場合、 光学部材 2 1 1の光取出し面 2 1 2とは反対側の面 2 1 3のうち、 少なくとも発光素子 2 0 1から放射された光束が入射する部分には、 反射部を形成しないことは言うまで もない。 このように、 傾斜面 2 1 5及び光取り出し面 2 1 2の背面 2 1 6に反射 部 2 1 7を設けることにより、 傾斜面 2 1 5及び光取り出し面 2 1 2の背面 2 1 6に入射した光束を全て反射させることができ、 これらの面から実装基板 2 0 3 側に光束が漏れるのを防止することができ、 発光効率をさらに向上させることが できる。 また、 反射部 2 1 7は、 光学部材 2 1 1と実装基板 2 0 3の間に設けら れるので、 容易に触れることができず、 反射部の劣化や汚れを少なくすることが できる。 第 1 0の実施の形態

次に、 本発明の第 1 0の実施の形態について説明する。 第 1 0の実施の形態は、 実装基板 2 0 3に発光素子 2 0 1が実装されるための凹部 2 0 2に関するもので ある。 光学部材については、 上記第 8の実施の形態及び第 9の実施の形態のいず れの形状であってもよく、 また、 これら以外の形状のものであってもよい。

図 3 4に示す第 1 0の実施の形態の第 1の構成例では、 実装基板 2 0 3に設け られた凹部 2 0 2の内周面が、 略放物面形状に形成されている。 このような構成 により、 発光素子 2 0 1から放射された一部の光束は、 凹部 2 0 2の略放物面形 状の内周面で反射され、 図 3 4中矢印で示すように、 蛍光部材 2 0 4に略平行光 として入射される。 その結果、 蛍光部材 2 0 4へ入射する光量を多くすることが できると共に、 蛍光部材 2 0 4における発光輝度分布を均一化することができる。 その結果、 発光装置の光取り出し面における色むらを抑えることができる。

図 3 5に示す第 1 0の実施の形態の第 2の構成例では、 実装基板 2 0 3に設け られた凹部 2 0 2の内周面が、 略楕円面形状に形成されている。 このような構成 により、 発光素子 2 0 1から放射された一部の光束は、 凹部 2 0 2の略楕円面形 状の内周面で反射され、 図 3 5中矢印で示すように、 蛍光部材 2 0 4の中心を向 くように入射される。 その結果、 蛍光部材 2 0 4へ入射する光量を多くすること ができると共に、 蛍光部材 2 0 4の中心部へ光束を集中させることができ、 蛍光 部材 2 0 4サイズを小さくすることができる。 その結果、 より点光源化すること ができるため、 狭角配光特性を実現することができる。 第 1 1の実施の形態

次に、 本発明の第 1 1の実施の形態について説明する。 第 1 1の実施の形態は、 実装基板 2 0 3の凹部 2 0 2に発光素子 2 0 1を固定する方法に関する。

図 3 6に示す第 1 1の実施の形態の第 1の構成例では、 発光素子 2 0 1として、 例えば図 1 6 A及び図 1 6 Bに示す第 4の実施の形態に係る発光素子 4 0の第 3 の構成例と同様のものが用いられている。 図 1 6 Bに示す発光素子 4 0は、 略半 球状の透光性部材 4 1 Bを除くと、 図 5 5に示す従来の発光素子 1 0 0と同様の 構成である。

そこで、 第 1の構成例における発光素子 2 0 1は、 従来例と同様の構成を有す る発光部 6 2に、 例えばァクリル樹脂などの透光性高屈折率材料を用いて形成さ れた略半球状の透光性部林 4 2を接着することにより形成されている。 まず、 実 装基板 2 0 3の凹部 2 0 2に発光部 6 2を実装する。 次に、 凹部 2 0 2にシリコ ーン樹脂などの比較的屈折率の高い透光性の樹脂 2 3 0を半充填し、 その状態で 発光部 6 2の出射面上に透光性部材 4 2を密接するように設置させて、 透光性部 材の側面下部が浸かる状態で固定している。 そのため、 予め発光部 6 2に透光性 部材 4 2を固定して発光素子 2 0 1を組み立てておき、 組み立てた発光素子 2 0 1を実装基板 2 0 3に実装するよりも、 発光素子 2 0 1の実装が容易になる。 ま た、 透光性部材 4 2と発光部 6 2との隙間に樹脂が侵入するため、 透光性部材 4 2と発光部 6 2の密着性が向上し、 かつ強固に固定される。 さらに、 発光素子 2 0 1の側部が比較的屈折率の高い樹脂で覆われるため、 発光素子 2 0 1の側部か らの光の取り出し効率も向上する。

また、 透光性部材 4 2の材料として、 凹部 2 3 0に充填される樹脂 （例えばシ リコーン樹脂） と同じ材料を用いた場合、 事実上界面が 1つ減るため、 フレネル 反射によるロスを少なくすることができる。 また、 透光性部材 4 2と発光部 6 2 の界面での密着性が向上するので、 界面での光の取り出し効率が向上すると共に、 透光性部材 4 2を固定する強度も向上する。

図 3 7に示す第 1 1の実施の形態の第 2の構成例では、 透光性部材 4 2と発光 部 6 2の間に、 透光性部材 4 2の材料の屈折率 n ₂と発光部 6 2の透光性基板 (例えば図 5 5の透光性基板 1 0 1参照） の材料の屈折率 n。の中間の屈折率 η , を有する材料からなる透光性中間層 2 3 1を設け、 凹部 2 0 2にシリコーン樹脂 などの比較的屈折率の高い透光性の樹脂 2 3 0を半充填して透光性部材 4 2を固 定している。 例えば、 発光部 6 2の透光性基板の材料をサファイア （屈折率 n。 = 1 - 7 7) とし、 透光性部材 4 2の材料をアクリル （屈折率 n ₂= 1. 4 9 ) とすると、 1. ァァ〉！^〉；^ 4 9の条件を満たす材料で透光性中間層 2 3 1 を形成すればよい。 その場合、 透光性部材 4 2は樹脂 2 3 0により固定されるの で、 透光性中間層 2 3 1の材料は必ずしも接着性を有している必要はない。

次に、 透光性中間層 2 3 1の屈折率 n 1を透光性部材 4 2の材料の屈折率 n ₂ と発光部 6 2の透光性基板の材料の屈折率 n。の中間の値とする理由について説 明する。 なお、 屈折率 n ₀、 n _{l s} n ₂に関しては、 上記従来例に関する説明を参 照するので、 同じ符号を重複して使用している。

従来例の説明で述べたように、 屈折率 n。、 nい η ₂ (η。> _{η ι} > η ₂) を有 する 3層が順に積層されている場合、 屈折率 n。の第 1層から屈折率 n ₂の第 3層 への光の臨界角 0。は、 第 2層の屈折率 _{η ι}とは無関係に、 0。= s i n— ¹ (n₂ Zn。） となる。 この場合、 第 1層である発光部 6 2の透光性基板の材料がサフ アイァ （n。= l . 7 7) であり、 第 3層である透光性部材 4 2の材料がアタリ ル （n ₂ = 1. 4 9 ) であるので、 臨界角 0。= s i n— ¹ (n ₂/n ₀) 5 7度 (式 1 ) となる。

一方、 屈折率 η。、 _{η ι}、 n₂ (！!。〉！^〉！^) を有する 3層が順に積層され ている場合、 屈折率 n iの第 2層と屈折率 n ₂の第 3層との界面では全反射は起こ らず、 屈折率 n。の第 1層から屈折率 _{η ι}の第 2層に入射した光は全て屈折率 n ₂ の第 3層に入射する。 従って、 屈折率 n。の第 1層から屈折率 n ₂の第 3層への光 の臨界角 6。は、 第 1層の屈折率 n。と第 2層の屈折率 _{η ι}に支配され、 0。= s i n— ¹ {η _Ύ/η ₀) (式 2 ) となる。 その場合、 臨界角 0。は、 第 2層の屈折率 η 1が小さくなるほど小さくなる。

透光性中間層 2 3 1の屈折率 n iと臨界角 Θ。の関係を図 3 8に示す。 図 3 8か ら分かるように、 透光性中間層 2 3 1の屈折率 _{η ι}を透光性部材 4 2の材料の屈 折率 n ₂よりも大きくすれば、 透光性部材 4 2中に入射する光量が最大になる。 一方、 一般的に屈折率の大きな材料は高価であること及びフレネル反射による損 失が大きいことを考慮すると、 屈折率 _{η ι}は小さい方が好ましい。 従って、 上記 のように透光性中間層 2 3 1の屈折率 nェを透光性部材 4 2の材料の屈折率 n ₂と 発光部 6 2の透光性基板の材料の屈折率 n。の中間の値とすることにより、 発光 部 6 2から出射された光を、 最も効率良く透光性部材 4 2に入射させることがで きる。

図 3 9に示す第 3の構成例では、 透光性部材 4 2の底部近傍において光の出射 面か外側に突出するように鍔 4 2 aを設け、 鍔 4 2 aが樹脂 2 3 0中に完全に埋 設されるように、 樹脂 2 3 0を凹部 2 0 2に充填する。 このような構成により、 第 1の構成例と比較して、 透光性部材 4 2の形状が若干複雑になるものの、 樹脂

2 3 0との接触面積が増え、 透光性部材 4 2を固定するための機械的強度が向上 する。 また、 上記第 2の構成例のように、 透光性部材 4 2の材料の屈折率と発光 部 6 2の透光性基板の材料の屈折率の中間の屈折率を有する透光性中間層を設け てもよい。 第 1 2の実施の形態

次に、 本発明の第 1 2の実施の形態について説明する。 第 1 2の実施の形態は、 複数の発光素子を用いた面発光照明装置に関するものである。 第 1 2の実施の形 態に係る面発光照明装置 3 0 0の第 1の構成例を図 4 0に示す。 面発光照明装置

3 0 0の第 1の構成例では、 複数の発光素子 3 0 1が実装基板 3 0 2上に実装さ れており、 実装基板 3 0 2は筐体 3 0 3の略中央部に保持されている。 また、 蛍 光体を含む材料で形成された平板状の蛍光部材 3 0 4が、 実装基板 3 0 2の実装 面と略平行となるように筐体 3 0 3の上端近傍に保持されている。

発光素子 3 0 1は、 上記第 3又は第 4の実施の形態に係る多角錐状又は円錐状 の透光性基板又は透光性部材を有する発光素子であり、 例えば青色光又は紫外線 を放射する。 また、 発光素子 3 0 1は、 図示した形状のものに限定されず、 上記 第 1から第 7の実施の形態に係る各発光素子のうち、 光の出射面の所定方向の断 面が発光素子の発光面である p n接合面 1 5から離れるにつれて幅が狭くなるよ うに形成されているものであればよい。

発光素子 3 0 1は、 実装基板 3 0 2上にそれぞれの間隔が略均等になるように 配列されている。 実装基板 3 0 2上には、 各発光素子 3 0 1が、 それぞれ電気的 に直列に接続されたものが複数組並列に接続されるように、 配線パターンが形成 されている。 筐体 3 0 3は、 例えば金属や樹脂などにより有底の略円筒状に形成 されたものであり、 例えば高さ約 2 O mm程度で、 直径が約 5 O mm程度である。 実装基板 3 0 2は、 筐体 3 0 3の側壁 3 0 3 aの中央部近傍において、 側壁 3 0

3 aに対して略直交するように固定されている。 蛍^;部材 3 0 4は、 例えばァク リルなどの透光性材料に蛍光体を混入したものを用いて円盤状に形成され、 実装 基板 3 0 2の実装面に対して約 5 mm程度の間隔を設けるように、 筐体 3 0 3の 側壁 3 0 3 aの上端近傍において、 側壁 3 0 3 aに対して略直交するように固定 されている。

このように、 実装基板 3 0 2上に配列された複数の発光素子 3 0 1から青色光 又は紫外線を放射し、 青 光又は紫外線により蛍光部材 3 0 4の蛍光体が励起さ れて波長の異なる光を放射することにより、 面発光照明装置 3 0 0の発光面 3 0

4 aから白色光が略均一に出力される。

次に、 多角錐状又は円錐状の透光性基板又は透光性部材を有しない従来の発光 素子 （例えば図 5 5の発光素子 1 0 0参照） の配光分布を図 4 1に示す。 図 4 1 から分かるように、 多角錐状又は円錐状の透光性基板又は透光性部材を用いない 場合、 略完全拡散配光となる。 図 4 2に示すように、 鉛直軸 （0 ° の軸） 方向に 放射される光の強度を I。とし、 鉛直軸に対する時計方向の角度を Θとすると、 0方向に放射される光の強度は I。 c o s Θとなる。 鉛直軸に対して任意の角度 ひの範囲から放射される光束 φ は、

= 。 X 2 ;r J" cos ^ · sin θά θ

= /。 χ ίΐ— cos ² a ) で表される。 なお、 0 ° 力、ら 9 0 ° までの総光束 Φ ₉。= I。 X π となる。

このような配光特性を有する発光素子を実装基板 3 0 2上に配列すると、 発光 装置の発光面である蛍光部材における発光素子 3 0 1の上方の輝度が高く、 また 発光素子 3 0 1の間の輝度が相対的に低くなり、 輝度分布が不均一となる。

次に、 頂角が 2 0 ° 、 4 0 ° 及び 6 0 ° の円錐状の透光性基板又は透光性部材 を有する発光素子の配光分布を、 それぞれ図 4 3、 図 4 4及び図 4 5に示す。 各 図中の実線と破線は、 それぞれ 9 0 ° 異なる断面の配光を示すものである。 発光 素子から出射された光束は、 頂角を形成する面、 すなわち光の出射面で幾度か反 射を繰り返し、 次第に頂角を形成する面に対する入射角を大きくしながら、 頂角 を形成する面から出射される。 このように、 円錐状の透光性基板又は透光性部材 を設けることにより、 発光素子上方への光束が低減され、 その分角度のついた方 向の成分が増加した配光となる。 具体的には、 円錐状の透光性基板又は透光性部 材を設けない場合には、 相対光度のピークが 0 = 0 ° の時であつたが、 頂角 2 0 ° の円錐状の透光性基板又は透光性部材を設けた場合には、 相対輝度のピーク 力 θ = 4 5 ° 、 3 1 5 ° となる。 また、 円錐状の透光性基板又は透光性部材によ る配光は、 頂角が小さいほど広角配光となる。

このように、 円錐状の透光性基板又は透光性部材を発光素子 3 0 1に設けるこ とにより、 発光素子 3 0 1から出射された光束が広角に配光されて蛍光部材 3 0 4に入射するので、 蛍光部材 3 0 4の発光面 3 0 4 aにおける輝度の均一性が向 上する。

なお、 透光性基板又は透光性部材の形状は、 円錐状に限られず、 多角錐状やそ の他の形状であってもよい。 図 4 6 Aは、 三角柱状の透光性基板又は透光性部材 3 1 0を用いた発光素子 3 0 1 ' を示す。 また、 この発光素子 3 0 1， の配光分 布を図 4 7に示す。 図 4 7中、 実線は断面形状が三角形の方向の配光分布を示し、 破線は断面形状が長方形の方向の配光分布を示す。 このような三角柱状の透光性 基板又は透光性部材 3 1 0を用いることによつても、 発光素子 3 0 1 ' の発光部 から出射された光を広角に配光することができる。

また、 発光部 6 2は、 実装基板 （図示せず） 側にダイオードが形成されたフエ ースダウン実装であってもよいし、 逆に透光性基板又は透光性部材 3 1 0側にダ ィォードが形成されたフェースアツプ実装であってもよい。

このような発光素子 3 0 1を図 4 0に示す面発光照明装置 3 0 0の実装基板 3 0 2に実装することによつても、 発光素子から出射された光束が広角に配光され て蛍光部材 3 0 4に入射するので、 蛍光部材 3 0 4の発光面 3 0 4 aにおける輝 度の均一性が向上する。

さらに、 図 4 6 Bに示すように、 1つの三角柱状の透光性基板又は透光性部材 3 1 0の矩形の入射面に複数の発光部 6 2を配置してもよい。 その場合、 透光性 基板又は透光性部材 3 1 0が比較的大きくなり、 成形及び取り极いが容易になる と共に、 面発光装置 3 0 0の全体としての部品点数を削減することができる。 次に、 第 1 2の実施の形態に係る面発光照明装置 3 0 0の第 2の構成例を図 4 8に示す。 面発光照明装置 3 0 0の第 2の構成例では、 上記第 1の構成例に加え て、 実装基板 3 0 2と蛍光部材 3 0 4の間に、 例えばアクリル樹脂で成形された 導光部材 3 0 5が設けられている。 導光部材 3 0 5の実装基板 3 0 2側の面の発 光素子 3 0 1に対向する位置には、 発光素子 3 0 1の透光性基板又は透光性部材 3 1 0と同様の形状の凹部 3 0 5 aが形成されており、 その凹部 3 0 5 aに各発 光素子 3 0 1の透光性基板又は透光性部材 3 1 0の少なくとも先端部分 （好まし くは、 略全体） が挿入されている。 また、 導光部材 3 0 5の実装基板 3 0 2側の 面のうち凹部 3 0 5 aが形成されていない部分 3 0 5 bには、 拡 f5c反射を目的と して微細加工又はシルクスクリーン印刷による白色ドットパターンが施されてい る。 さらに、 導光部材 3 0 5の端面 3 0 5 cには鏡面処理が施されている。

このような第 2の構成例において、 発光素子 3 0 1から透光性基板又は透光性 部材 3 1 0を介して出射された光束は、 その大部分が略同一角度で導光部材 3 0 5の凹部 3 0 5 aに入射する。 導光部材 3 0 5に入射した光のうち、 導光部材 3 0 5の出射面 3 0 5 dに対して臨界角よりも入射角の大きな光束は導光部材 3 0 5の内部で反射が繰り返される。 その過程で導光部材 3 0 5の拡散反射処理が施 された面 3 0 5 bで拡散反射されるので、 最終的に出射面 3 0 5 dから出射され る。 このように、 各発光素子 3 0 1から出射された光は、 導光部材 3 0 5中を導 光されることにより、 ある程度均一化されて蛍光部材 3 0 4に入射するので、 蛍 光部材 3 0 4の発光面 3 0 4 aにおいて輝度の均一性を向上させることができる。 次に、 図 4 9に示すように、 発光素子 3 0 1の透光性基板又は透光性部材 3 1 0の頂角 v ₂ ( = 4 0 ° ) とし、 導光部材 3 0 5の囬部 3 0 5 aの開き角 γ iとし て、 開き角 V iを変化させた場合において、 導光部材 3 0 5の内部で反射されず に直接出射される光の割合を図 5 0に示す。 図 5 0から分かるように、 導光部材 3 0 5の凹部 3 0 5 aの開き角 γ が小さいほど、 導光部材 3 0 5から直接出射 される光束の割合が小さくなり、 導光部材 3 0 5の内部で操り返し反射される光 束の割合が大きくなる。 導光部材 3 0 5の凹部 3 0 5 aの開き角 _{γ ι}を発光素子 3 0 1の透光性基板又は透光性部材 3 1 0の頂角 γ ₂ ( 4 0。 ） よりも小さくす れば、 導光部材 3 0 5に入射した光束のうち 8 0 ° /。以上が導光部材 3 0 5の内部 で反射される。 その結果、 面発光照明装置 3 ◦ 0の発光面 3 0 4 aの輝度をより 均一にすることができる。

さらに、 導光部材 3 0 5を用いることにより、 図 4 1に示す第 1の構成例と比 較して、 部品点数が増加するものの、 導光部材 3 0 5内での導光作用により、 蛍 光部材への照射密度を均一化できるため、 発光素子の数を減らすか、 あるいは設 置間隔を大きくしても蛍光部材での輝度分布を均一にすることができる。 第 1 3の実施の形態

次に、 本発明の第 1 3の実施の形態について説明する。 第 1 3の実施形態は、 発光素子を導光部材の側面に配置した面発光照明装置に関するものである。 図 5 1は第 1 3の実施の形態に係る面発光照明装置 4 0 0の平面断面図であり、 図 5 2はその正面断面図である。

各図から分かるように、 略円盤状の導光部材 4 0 5の略円筒状側面のうち平面 状に形成された部分を入射面 4 0 5 aとし、 入射面 4 0 5 aに対向するように実 装基板 4 0 2及ぴ実装基板 4 0 2に実装された複数の発光素子 4 0 1が配置され ている。 導光部材 4 0 5の底面 4 0 5 bには、 複数の発光素子 4 0 1から遠ざか るに従って、 密となるように微細加工や白色ドットパターンなどの拡散反射処理 が施されている。 さらに、 導光部材 4 0 5の出射面 4 0 5 cに対して所定の間隔 を開けて、 蛍光体を含む材料で形成された蛍光部材 4 0 4が配置されている。 発光素子 4 0 1の透光性基板又は透光性部材 4 1 0は、 例えば図 5 3に示すよ うにシリンドリカルレンズ状 （略円筒面状） に形成され、 発光部 6 2が透光性基 板又は透光性部材 4 1 0の略長方形の底面に密着するように接合されている。 ま た、 図 5 1に示すように、 発光素子 4 0 1は、 その透光性基板又は透光性部材 4 1 0の略半円形断面が導光部材 4 0 5の略円形断面と直交方向となるように実装 基板 4 0 2上に実装されている。

シリンドリカルレンズ状の透光性基板又は透光性部材 4 1 0を有する発光素子 4 0 1の配光分布を図 5 4に示す。 図 5 4中、 実線は略半円形断面方向の配光分 布を示し、 破線は略長方形断面方向の配光分布を示す。 発光素子 40 1の配光は、 略半円形断面方向では比較的狭角な配光となり、 略長方形断面方向では広角な配 光となる。

なお、 複数の発光部 6 2を 1つのシリンドリカルレンズの下面に 1列に配置し ても同様の効果が得られる。

従って、 発光素子 40 1から出射された光は、 シリンドリカルレンズ状の透光 性基板又は透光性部材 4 1 0により、 導光部材 40 5の厚み方向には狭角に配光 され、 導光部材 40 5の平面に平行な方向には広角に配光される。 この場合、 導 光部材 40 5の厚み方向への光束の入射角度は小さいので、 導光部材 4 0 5の底 面 50 5 b及び出射面 40 5 cで全反射する成分が増加する。

このように、 導光部材 40 5の側面に発光素子 40 1を配置しても、 導光部材 4 0 5の全域に光束を導光させることができ、 面発光照明装置 40 0の蛍光部材 4 04の発光面 40 4 aの輝度を均一にすることができる。 また、 宪光素子 4 0 1を導光部材 4 05の側部に配置しているので、 発光素子 40 1の取り替えなど の保守が容易となる。

また、 シリンドリカルレンズ状の透光性基板又は透光性部材 4 1 0の非長方形 の断面は、 略半円形に限定されず、 略半楕円形やその他任意の曲面であってもよ い。

さらに、 上記全ての実施の形態の特徴は、 フェースダウン実装及びフェースァ ップ実装のいずれのタイプの発光素子にも適用しうることは言うまでもない。 本願は日本国特許出願 20 0 2— 1 54 2 6 2、 2 00 2— 2 1 8 8 9 1及び 2 00 2— 2 1 8 9 8 9に基づいており、 その内容は、 上記特許出願の明細書及 ぴ図面を参照することによって結果的に本願発明に合体されるべきものである。 また、 本願発明は、 添付した図面を参照した実施の形態により十分に記載され ているけれども、 さまざまな変更や変形が可能であることは、 この分野の通常の 知識を有するものにとって明らかであろう。 それゆえ、 そのような変更及び変形 は、 本願発明の範囲を逸脱するものではなく、 本願発明の範囲に含まれると解釈 されるべきである。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 透光性基板の 1つの面上に n型半導体層と： p型半導体層を積層して形成さ れたダイォード構造を有する非封止型の発光素子であって、 光の出射面が前記ダ ィォード構造の各面のうち前記透光性基板とは反対側の面に対して非平行である ことを特徴とする発光素子。

2 . 前記透光†生基板の前記ダイォード構造が形成されている面と対向する面を 前記光の出射面とし、 前記光の出射面が前記ダイオード構造の各面のうち前記透 光性基板とは反対側の面に対する傾斜面、 粗面、 略錐体状、 略球面状、 複数の略 錐体状又は略球面状の凸部が配列された面、 複数の傾斜面の組み合わせ、 又は略 円筒面状であることを特徴とする請求項 1に記載の発光素子。

3 . 前記光の出射面が略錐体状であり、 前記略錐体状の部分の底面の最大幅に 対する高さの比を約 0 . 4以上で、 かつ、 約 4 . 5以下としたことを特徴とする 請求項 2に記載の発光素子。

4 . 前記光の出射面が略球面状であり、 前記略球面状の部分の底面の直径に対 する高さの比を約 0 . 3以上で、 かつ、 約 0 . 5以下としたことを特徴とする請 求項 2に記載の発光素子。

5 . 前記透光性基板は、 第 1の材料で形成され、 前記ダイオード構成が形成さ れた第 1面及び第 1面に平行な第 2面を有する平行板と、 第 2の材料で形成され、 前記平行板の第 2面に接合された第 3面及ぴ第 3面に対向する第 4面を有する透 光性部材で構成され、 前記透光性部材の第 4面が前記ダイォード構造の各面のう ち前記透光性基板とは反対側の面に対して非平行であり、 前記透光性部材の第 4 面を光の出射面とすることを特徴とする請求項 1に記載の発光素子。

6 · 前記透光性部材の第 4面が、 前記ダイォ一ド構造の各面のうち前記透光性 基板とは反対側の面に対する傾斜面、 粗面、 略錐体状、 略球面伏、 複数の略錐体 状又は略球面状の凸部が配列された面、 複数の傾斜面の組み合わせ、 又は略円筒 面状であることを特徴とする請求項 5に記載の発光素子。

7 . 前記ダイォード構造の各面のうち前記透光性基板とは反対側の面に接合さ れた透光性部材をさらに有し、 前記透光性部材の前記ダイオード構造との垮合面 に対向する面を前記光の出射面とすることを特徴とする請求項 1に記載の発光素 子。

8 . 前記光の出射面が、 前記ダイオード構造の各面のうち前記透光性基板とは 反対側の面に対する傾斜面、 粗面、 略錐体状、 略球面状、 複数の略錐体状又は略 球面状の凸部が配列された面、 複数の傾斜面の組み合わせ、 又は略円筒面状であ ることを特徴とする請求項 7に記載の発光素子。

9 . 実装基板上に実装された非封止型の発光素子、 及び前記発光素子の光の出 射面の前方に設けられ、 前記発光素子から放射された光により励起され、 励起波 長とは異なる波長の光を放射する蛍光部材を備えた発光装置であって、 前記発光 素子は、 透光性基板の 1つの面上に n型半導体層と p型半導体層を積層して形成 されたダイォード構造を有し、 前記光の出射面が前記ダイォード構造の各面のう ち前記透光性基板とは反対側の面に対して非平行であることを特徴とする発光装

1 0 . 前記蛍光部材を表面又は内部に備えた光学部材を、 前記実装基板に着脱 自在に装着したことを特徴とする請求項 9に記載の発光装置。

1 1 . 前記光学部材は、 凸レンズ形状を有することを特徴とする請求項 9に記 載の発光装置。

1 2 . 前記発光素子が前記実装基板に設けられた凹部の底面に実装され、 前記 蛍光部材の前記発光素子に対向する面が前記凹部の開口と略等しい大きさである ことを特徴とする請求項 9に記載の発光装置。

1 3 . 前記凹部の内周面が略放物面又は略楕円面に形成され、 前記発光素子か ら放射された光を前記凹部の内周面で反射させることにより前記蛍光部材に入射 させることを特徴とする請求項 1 2に記載の発光装置。

1 4 . 前記発光素子の光の出射面の少なくとも一部分が露出するように、 前記 凹部に透光性樹脂を充填したことを特徴とする請求項 1 2に記載の発光装置。

1 5 . 前記発光素子の光の出射面として機能する面を有する部材と、 前記凹部 に充填された透光性樹脂とが同じ材質であることを特徴とする請求項 1 4に記載 の発光装置。

1 6 . 前記発光素子の透光性基板は、 第 1の材料で形成された平行板と、 第 2 の材料で形成され、 前記平行板に接合された透光性部材で構成され、 前記透光性 部材の非接合面を光の出射面とし、 前記平行板と前記透光性部材とは、 前記第 1 の材料の屈折率と前記第 2の材料の屈折率の中間の屈折率を有する材料からなる 透光性接合層を介して密着配置されていることを特徴とする請求項 1 4に記載の 発光装置。

1 7 . 前記発光素子の光の出射面として機能する面を有する部材の少なくとも —部分が、 前記光の出射面から前記凹部に充填された透光性樹脂に向かって外側 に突出していることを特徴とする請求項 1 4に記載の発光装置。

1 8 . 実装基板上に実装された 1又は複数の非封止型の発光素子と、 前記発光 素子から放射された光により励起され、 励起波長とは異なる波長の光を放射する 蛍光体を含む材料で形成された板状の蛍光部材とを備えた面発光照明装置であつ て、 前記発光素子は、 透光性基板の 1つの面上に η型半導体層と！)型半導体層を 積層して形成されたダイォード構造を有し、 前記発光素子から放射される光束が 所定の配光分布を有するように、 前記光の出射面が前記ダイォード構造の各面の うち前記透光性基板とは反対側の面に対して所定の形状に形成されていることを 特徴とする面発光照明装置。

1 9 . 前記発光素子の光の出射面と前記蛍光部材との間に導光部材を設けたと ことを特徴とする請求項 1 8に記載の面発光照明装置。

2 0 . 前記発光素子の光の出射面の所定の方向の断面が、 前記発光素子の発光 面から離れるにつれて幅が狭くなるように形成されていることを特徴とする請求 項 1 8に記載の面発光照明装置。

2 1 . 前記発光素子の光の出射面が、 略錐体状、 複数の傾斜面の組み合わせ、 又は略円筒面状であることを特徴とする請求項 2 0に記載の面発光照明素子。

2 2 . 前記導光部材の前記発光素子に対向する面の各発光素子に対向する位置 に、 前記発光素子の光の出射面の形状と略同一形状の凹部を形成し、 前記凹部に 前記発光素子の光の出射面の少なくとも一部分が挿入されていることを特徴とす る請求項 2 0に記載の面発光照明装置。

2 3 . 前記導光部材の光の出射面に対して垂直な側面に対向するように前記発 光素子を配置し、 前記導光部材の光の出射面に対向するように前記蛍光部材が配 置されていることを特徴とする請求項 1 9に記載の面発光照明装置。