発光装置及びその製造方法、灯具、並びに灯具システム
【課題】光学系を小型に保ちつつ高輝度化が容易な発光装置及びその製造方法、配光制御が容易な灯具、並びに灯具システムを提供する。
【解決手段】発光素子と、第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板の上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、を備えたことを特徴とする発光装置及びその製造方法、これを用いた灯具、並びに灯具システムが提供される。
【解決手段】発光素子と、第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板の上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、を備えたことを特徴とする発光装置及びその製造方法、これを用いた灯具、並びに灯具システムが提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置及びその製造方法、灯具、並びに灯具システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光装置や灯具に半導体発光素子を用いると、省エネルギー化、長寿命化、小型化、軽量化などが容易になる。また、水銀などを使用しないので環境に対しても好ましい。
【０００３】
一般に、面発光型発光素子のチップはその表面上方に配光角の広い光を放出する。広い配光角を有する光を高輝度とするためには、チップサイズを大きくすると共に大きなレンズなどを用いて集光することが必要になる。
【０００４】
他方、ヘッドランプなどの照明装置及び液晶表示装置のバックライトなどの用途では、小型、薄型、及び軽量化などがますます要求されるようになっている。
【０００５】
消費電力の低減と高輝度化を満たすバックライトユニットに関する技術開示例がある（特許文献１）。この例では、赤色光、青色光、緑色光をそれぞれ放出する光源と、光源からの光を開口部に向けて反射する第１リフレクタタと、光源からの光をハウジングの他端に反射する第２リフレクタと、を備えたバックライトユニットが提供されている。
【０００６】
しかしながら、この例では、発光素子の発光部の幅を狭くすることが困難であり、高輝度及び光学系の小型化の要求を満たすには十分とは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１０６２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光学系を小型に保ちつつ高輝度化が容易な発光装置及びその製造方法、配光制御が容易な灯具及び灯具システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、発光素子と、第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板の上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
【００１０】
本発明の他の一態様によれば、発光素子と、第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記放出光を吸収して波長変換光を放出可能な蛍光体層と、前記蛍光体層の上に設けられ、前記上方光及び前記波長変換光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における前記放出光と前記波長変換光との混合光の配光特性を制御するレンズと、を有する発光装置と、一方の側面から入射された前記混合光を導光する導光板と、前記導光板の上面から出射した前記混合光を拡散して出射可能とする光学シートと、を備えたことを特徴とする灯具が提供される。
【００１１】
本発明のさらに他の一態様によれば、発光素子と、第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、を有する発光装置と、前記基板の傾斜角を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路と、を備えたことを特徴とする灯具が提供される。
【００１２】
本発明のさらに他の一態様によれば、発光素子と、第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、を有する発光装置と、前記基板の傾斜角を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路と、を有する灯具と、前記レンズからの出射光により照射された物体の映像を検出可能なセンサと、前記発光素子に電流を供給する発光素子電源回路と、検出された前記映像に基づいて、前記電流を制御する発光素子制御信号を前記発光素子電源回路に出力するとともに、前記出射光の照射方向を制御するアクチュエータ制御信号を前記アクチュエータ駆動回路に出力する制御回路と、を備えたことを特徴とする灯具システムが提供される。
【００１３】
本発明のさらに他の一態様によれば、ウェーハ状の基板に、配線パターンと、溝状の導光路と、分離溝と、を形成する工程と、放出光が前記導光路へ導入可能とされる発光素子を前記基板に接着し、前記発光素子の電極と前記配線パターンとを電気的に接続する工程と、透明基板の第１の主面に蛍光体層を形成し、前記第１の主面とは反対側の前記透明基板の第２の主面側にレンズを設ける工程と、前記導光路と前記蛍光体層とが対向するように、前記基板と前記透明基板の前記第１の主面側とを貼り合わせる工程と、前記分離溝に沿って前記基板及び前記透明基板を切断し分離する工程と、を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
光学系を小型に保ちつつ高輝度化が容易な発光装置及びその製造方法、配光制御が容易な灯具及び灯具システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図
【図２】発光素子を表す模式斜視図
【図３】導光路及びレンズの断面における光路を説明する図
【図４】比較例にかかる発光装置の模式図
【図５】発光装置の製造方法を説明する模式斜視図
【図６】レンズの変形例の模式斜視図
【図７】第１の実施形態の変形例の模式斜視図
【図８】第２の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図
【図９】第２の実施形態の変形例の模式斜視図
【図１０】第３の実施形態にかかる灯具の模式断面図
【図１１】第４の実施形態にかかる灯具の模式斜視図
【図１２】第５の実施形態にかかる灯具システムの模式斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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は本発明の第１の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図である。
発光装置５は、第１の方向１２に沿って溝状に設けられた導光路１０を有する基板２０と、発光素子１０１と、導光路１０上に設けられたレンズ５０と、を備えている。
【００１７】
発光素子１０１からの放出光１１８は導光路１０の一方の端部へ導入される。導入された放出光１１８は、第１の方向１２に沿って広がりつつ導光路１０の内壁面（側面及び／または底面）で反射され、基板２０の上方に向かう上方光１１８ａに転じる。レンズ５０は、導光路１０上に設けられ、上方光１１８ａを集光して第１の方向１２に対して略垂直な面内の配光特性を制御可能である。なお、発光装置５のうち、発光素子１０１を除いた構造を光学部３５と呼ぶことにする。
【００１８】
基板２０は、例えばＳｉなどからなり、導光路１０の幅ＷＧは５００μｍ以下とされる。溝状の導光路１０の内壁面にはＡｌやＡｇのような高反射体１５を設けると、導光路１０に入射した放出光を高反射体１５により効率よく反射可能となる。
【００１９】
図２は、発光素子を表す模式斜視図である。
発光素子１０１はＬＥＤ（Light Emitting Diode)やＬＤ（Laser Diode)とすることができる。本図において、発光素子１０１は、その放出光１１８の配光角を狭くできるＬＤ１０１であるものとする。ＬＤ１０１は、ｎ型クラッド層１１４、活性層１１２、ｐ型クラッド層１１３、基板、などを有している。
【００２０】
ｐ型クラッド層１１３の上方には、その両側が絶縁膜１１６で挟まれ、幅が数μｍのストライプ状共振器１１７が設けられている。このために、屈折率ガイド構造となっており、発光面積が略５μｍ２と小さく、かつ高い発光効率とできる。この構造により劈開端面（前面）１１５ａからの放出光１１８のＦＦＰ（Far Field Pattern)が制御可能とされる。ビーム広がり角は、光強度が最大値の２分の１となる角度で表す。例えば、活性層１１２に対して垂直方向へのビーム広がり角Ｆｖは略３０度、水平方向へのビーム広がり角Ｆｈは略１０度などとすることができる。なお、劈開端面（後面）１１５ｂの反射率を高めると、劈開端面（前面）１１５ａからの光出力を高めることが容易となる。
【００２１】
一般に導光路１０の幅及び深さと、ＬＤ１０１のＦＦＰと、をそれぞれ適正に選択すると、導光路１０からレンズ５０へ入射する光密度を第１の方向１２に沿って略均一にすることができる。なお、発光素子としては、配光角を狭くした面発光半導体素子や固体発光素子であってもよい。
【００２２】
レンズ５０の断面を適正な凸レンズ曲面とすると、導光路１０内の高反射体１５で反射された上方光１１８ａを集光し、第１の方向１２に対して略垂直な面における配光特性を制御することが容易となる。
【００２３】
次に、本実施形態における配光特性の制御について、より詳細に説明する。
図３（ａ）は導光路及びレンズの断面における光路を表す模式図、図３（ｂ）は光の広がり角を説明するグラフ図、である。
【００２４】
発光素子の発光部の幅をＷ、発光部とレンズ頂との距離をＤ、とする。また、発光部の中心は、レンズ頂の直下の位置とする。発光部からの光は、レンズ曲面における接線に対して垂直に入射するとは限らず、レンズを出射したのち広がる。この広がり角をΔθとする。Δθは発光部が幅Ｗを有する限り生じるので、これよりも狭い配光角を得ることは困難である。
【００２５】
図３（ｂ）において、縦軸は広がり角Δθ（度）、横軸はＤ／Ｗ、である。本図より、Δθを小さくするにはＤ／Ｗを大きくすることが必要である。例えば、Δθを１０度と狭くするには、Ｄ／Ｗは略９であることが必要である。すなわち、レンズサイズを大きくすることが必要である。この場合、発光部の幅Ｗを小さくするほど距離Ｄを小さくできるのでレンズを小型にできる。なお、発光面からの放出光は、広い角度成分を有するのでＤ／Ｗは９よりも大きいことが好ましい。
【００２６】
もし一方の方向の配光角を狭くする場合、発光部の幅を狭くすればレンズを小型化できることになる。マイクロレンズをこのレンズとして用いる場合、１ｃｍよりも小さく見える５ｍｍ程度の幅まで狭くすることが必要である。すなわち、発光部の幅は０．５ｍｍ程度であることが好ましい。
【００２７】
図４（ａ）は比較例にかかる発光装置の模式断面図、図４（ｂ）はこれを用いた灯具の模式斜視図、図４（ｃ）は発光素子チップの配光特性、である。
【００２８】
実装部材２５０には青色光を放出可能な発光素子チップ２０２が接着されており、その上部には蛍光体混合樹脂層３０２が設けられている。発光素子２０２のチップの配光特性は図４（ｃ）のようなランバート（Lambertian）分布であり、その半値全角は略１２０度×１２０度と広い。動作電流を２００ｍＡ以上として高輝度とする場合、チップサイズは、例えば１ｍｍ×１ｍｍなどとなる。図４（ｂ）は、この発光装置４０２からの６つの放出光をレフ６００及びレンズ７００を用いて集光し放出する灯具である。６つ発光装置から構成される灯具における発光部のサイズは大きくなる。
【００２９】
もし、半値全角が１５度の配光角とする場合、半値全角を図３のΔθと考えるとＤ／Ｗが略５．５となる。実際には放出光は広い角度成分を有しているのでＤ／Ｗは、略１０以上とする。このために、１ｍｍ×１ｍｍサイズの発光素子に対しては、略１０倍の１ｃｍ×１ｃｍ程度のサイズの光学系とすることが好ましい。さらに６つのチップであれば、より大きなサイズの光学系が必要となる。例えば、レフ６００やレンズ７００で配光角を狭く制御することが必要となる。すなわち、レフ６００やレンズ７００のサイズは大きくなる。このために、発光装置が大型サイズとなりその重量が増加する。このために発光装置をアクチュエータなどで駆動して配光特性を制御することは困難である。
【００３０】
これに対して、発光部の幅を狭くすることが容易な本実施形態では、光学部３５を小型化、薄型化することが容易である。このために、のちに説明するように、アクチュエータなどをさらに備えることにより、光学部３５の配光特性を制御することが容易となる。
【００３１】
本実施形態において、発光素子１０１をＩｎＧａＡｌＰ系またはＧａＡｌＡｓ系などの材料とすると発光波長が、例えば５００〜７５０ｎｍの範囲の可視光を放出可能である。なお、本明細書において、「ＩｎＧａＡｌＰ系」とは、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。また、「ＧａＡｌＡｓ系」とは、ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。
【００３２】
さらに、発光素子１０１をＩｎＧａＡｌＮ系材料とすると、例えば発光波長が３５０〜５４０ｎｍの紫外〜緑色光を放出可能である。なお、本明細書において、「ＩｎＧａＡｌＮ系」とは、ＢｘＩｎｙＧａｚＡｌ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。
【００３３】
本実施形態は、導光路１０とレンズ５０との間に蛍光体層３０をさらに備えた発光装置５とすることができる。すなわち、発光素子１０１をＩｎＧａＡｌＮ系材料とし、青紫〜青色光の放出光１１８とする。蛍光体層３０は、例えば黄色蛍光体粒子を含むものとすると、発光素子１０１の放出光１１８を吸収した蛍光体層３０は波長変換光１１９として黄色光を放出する。放出光と波長光との混合光は、白色または電球色などとすることができる。図１に表すように、上方光１１８ａは、レンズ５０により集光され、高輝度な出射光Ｇ１として第１の方向１２とは略垂直方向へ出射される。なお、蛍光体は、ＹＡＧなどからなる材料とし、赤色、緑色、青色（発光素子の放出光）などの混合色としても、白色または電球色とすることができる。
【００３４】
図５は、本実施形態にかかる発光装置の製造方法を説明する模式斜視図である。
Ｓｉなどからなる基板２０の第１の主面２０ａ側に、ドライエッチング法やウェットエッチング法などを用いて、溝状の導光路１０、発光素子１０１の接着及びワイヤボンディング用に凹部２０ｃ、基板２０を分離するための分離溝２５、をそれぞれ形成する。このために、第１の主面２０ａは段差を有する。
【００３５】
凹部２０ｃの底面に、発光素子１０１接着用の配線パターン２１ａ及びボンディング用の配線パターン２１ｂなどを形成する。配線パターン２１は、スルーホール（図示せず）などにより基板２０の第２の主面２０ｂと接続される。次に、幅５００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下の断面形状を有する溝状の導光路１０をエッチング法を用いて形成する。導光路１０の内壁面にはＡｌやＡｇなどを蒸着した高反射体１５を設けてもよい。高反射体１５が設けられた導光路１０は、第１の方向１２に沿って発光素子１０１からの放出光を導くことができる。
【００３６】
基板２０の凹部２０ｃの底面に設けられた配線パターン２１ａに、発光素子１０１をＡｕＳｎ共晶半田または導電性接着剤などを用いて接着し、配線パターン２１ｂと発光素子１０１の電極とをボンディングワイヤなどにより接続する。このようにして、図５（ａ）の構造を得ることができる。
【００３７】
他方、ガラスや樹脂などからなる透明基板４０の第１の面４０ａに設けられた溝に蛍光体層３０を形成する。蛍光体層３０は、例えば蛍光体粒子が混合された透光性樹脂を溝に塗布したのち硬化することにより形成できる。透明基板４０のサイズを基板２０のサイズと合わせると材料を有効に使用でき、生産性も高まる。
【００３８】
レンズ５０は、透明基板４０の第２の面４０ｂ上に、上方からみてその中心線が蛍光体層３０の中心線と略一致するように設けられ、図５（ｂ）の構造となる。なお、レンズ５０は、透明基板４０の第２の面４０ｂ側にエッチング法などを用いて形成可能である。または、レンズ５０は、透明基板４０のサイズと合わせたサイズのレンズ材料を用い、エッチング法または金型を用いた成型法により形成してもよい。
【００３９】
続いて、基板２０に設けられた金属パターン（図示せず）と、透明基板４０に設けられた金属パターン（図示せず）と、をレンズ５０の中心軸と導光路１０の中心軸とを重ね合わせて、加熱や加圧を行うと図５（ｃ）の構造が得られる。分離溝２５に沿って基板２０をダイシング法やスクライブ法などを用いて切断すると、図１に表す個々の発光装置が完成する。
【００４０】
図６は、レンズの変形例を表す模式斜視図である。
透明基板４０の上に、例えば第１の方向に略垂直な断面が凹凸部を有するようなマイクロパターニングされたレンズシートを貼り付けて、導光路１０の上方にレンズ５１を設けてもよい。
【００４１】
本実施形態の製造方法は、基板レベルで発光装置を製造するものでありＷＬＰ（Wafer Level Packaging）ということができる。このようにして、小型の発光装置を高い量産性で製造可能となる。
【００４２】
図７（ａ）は第１の実施形態の第１変形例、図７（ｂ）はその第２変形例、である。
【００４３】
図７（ａ）のように、溝状の導光路１０を高屈折率のガラス材４２を充填しても良い。また、図７（ｂ）のように、側面加工を行った光ファイバ４３を充填してもよい。さらに透明基板を２つ以上にすると、より高度な光学機能を備えることができる。
【００４４】
図８は、第２の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図である。
本実施形態は、２つ以上の発光素子及び導波路型光カプラ（optical waveguide coupler）などの光合波器７０を備えている。本図では、発光素子１０１、１０２、１０３は３つであり、それらの放出光は光合波器７０により合成されたのち、導光路１０へ入射される。３つの発光素子１０１、１０２、１０３の波長を略同一とすると光出力を増大し、より高輝度とできる。
【００４５】
図９は、第２の実施形態の変形例である。
発光素子８１、８２、８３は外部の実装部材にそれぞれ実装されている。その出力は光ファイバ９１、９２、９３などを介して光合波器７０にそれぞれ入射する。例えば、３つの発光素子８１、８２、８３が、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ出射するものとすると、導光路１０内において混合色が生成されるので、蛍光体層を省略可能である。
【００４６】
図１０は、第３の実施形態にかかる灯具の模式断面図である。
発光装置５からの出射光Ｇ１は、導光板５１３の側面５１３ａから導入される。導光板５１３の上面５１３ｃには光学シート８００が設けられている。入射した光は導光板５１３の下面５１３ｂで反射されたのち、その一部は光学シート８００へ導入され拡散されたのち上方へ出射する。また、残余の一部は、さらに反射により導光路５１３の他方の側面の方向へ向かって進む。このように反射を繰り返しながら光学シート８００の全面が略均一に照射されるようにすることができる。例えば、発光部の幅ＷＧを１００μｍ以下とすると、レンズが小型にしても配光角を狭くできるため導光板５１３からの光取り出し効率に改善が容易となる。また、灯具の薄型化が容易となる。このような灯具は、液晶表示装置のバックライト光源などとして使用可能である。
【００４７】
図１１（ａ）は第４の実施形態にかかる灯具の模式斜視図、図１１（ｂ）はその変形例の模式斜視図である。
本実施形態は、台座３７をさらに備えており、光学部３５は台座３７に取り付けられる。台座３７とは離間して設けられた発光素子８１、８２、８３のからの放出光は光ファイバなどを介して導光路１０へ導入される。発光部の幅は狭いので台座３７及びランプカバー３９のサイズを小型かつ薄型にできる。なお、発光部が取り付けられる台座３７の面は、光を反射可能なレフ機能を持たせるとより高輝度とできる。このような灯具は、自動車用ヘッドランプなどに用いることができる。また、導光路１０を第１の方向１２に長くすると、輝度を抑えた線光源からの出射光Ｇ１を得ることができる。
【００４８】
図１１（ｂ）の変形例では、光学部３５を３つ台座３７の上に配置し、１つ当たりの輝度を弱めることにより、グレアが抑制されつつ高輝度の出射光Ｇ２を得ることができる。
【００４９】
図１２は、第５の実施形態にかかる灯具システムの模式斜視図である。
本灯具システムは、灯具と、アクチュエータ９０１、９０２、９０３と、アクチュエータ駆動回路９５４と、を備えている。灯具は、図１１（ｂ）に表す第４の実施形態にかかるものとし、３つの光学部３５ａ、３５ｂ、３５ｃの基板２０の第２の主面２０ｂ側は、アクチュエータ９０１、９０２、９０３の上にそれぞれ載置される。アクチュエータ９０１、９０２、９０３は、アクチュエータ駆動回路９５４とそれぞれ接続されている。
台座３７の上に載置されるアクチュエータ９０１、９０２、９０３は、油圧装置、小型モータ、ソレノイドコイル、形状記憶合金、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems)などからなる。アクチュエータ駆動回路９５４によりアクチュエータ９０１、９０２、９０３の上に載置される光学部３５ａ、３５ｂ、３５ｃをそれぞれ駆動すると基板２０の傾斜角を変化できる。このようにして、出射光Ｇ２の照射方向及び合成された配光特性を制御することができる。アクチュエータの上に発光素子を載置することもできるが、アクチュエータが大型となり、その駆動特性の低下や駆動電力の増加など生じる。本図のように、発光素子８１、８２、８３を光学部３５ａ、３５ｂ、３５ｃからそれぞれ分離すると、光学部３５の駆動が容易となる。なお、灯具は、図１０の第３実施形態であってもよい。
【００５０】
また、本灯具システムは、制御回路９５２と、センサ９５０と、をさらに備えることができる。センサ９５０は、例えばＣＣＤなどの撮像素子を有し、灯具からの出射光Ｇ２により照射された物体の映像を検出する。センサ９５０の映像信号Ｓ１は、ＭＰＵ（Microprocessing unit）などからなる制御回路９５２へ入力され解析される。
【００５１】
アクチュエータ９０１、９０２、９０３は、アクチュエータ駆動回路９５４から出力された駆動信号ＳＤにより光学部３５ａ、３５ｂ、３５ｃからの出射光Ｇ２の照射方向をそれぞれ制御できる。
【００５２】
発光素子電源回路９５６には、映像解析結果に基づいた制御回路９５２からの発光素子制御信号Ｓ２が入力され、発光素子８１、８２、８３への電流ＩＬをそれぞれ制御して供給可能である。
【００５３】
このような灯具を自動車のヘッドランプに用いる場合、制御回路９５２は映像を解析し、対向車や歩行者への出射光Ｇ２の輝度を変化させる発光素子制御信号Ｓ２を発光素子電源回路９５６へ向けて出力可能である。例えば、輝度が高すぎると判断した時、発光素子への電流ＩＬを低減できる。
また、制御回路９５２は、出射光Ｇ２の照射方向を変化させるアクチュエータ制御信号Ｓ３をアクチュエータ駆動回路９５４へ向けて出力する。例えば、対向車や歩行者へ照射方向が適正でないと判断した時、その照射方向を変化する。このようにして、対向車や歩行者へ対するグレアを抑制することが容易となる。
【００５４】
さらに、アクチュエータを２つ設けると、第１の配光特性と第２の配光特性とを合成し全体の配光特性を制御することができる。なお、照射の制御方向は、鉛直方向に限定されず水平方向とすることも可能である。
【００５５】
本実施形態により、ＡＦＳ（Adaptive Front-Lighting System）など高度なシステムが容易となる。例えば、ステアリングやウインカに連動して配光特性を制御できる。
また、コーナーにおいて、対向車へのグレアが予想される場合、一時消灯及び再点灯などを自動制御することができる。さらに、走行速度に応じて、輝度及び配光特性を自動制御することも可能である。
【００５６】
第１及び第２の実施形態及びこれらに付随する変形例により、光学系を小型に保ちつつ高輝度化が容易な発光装置及びその製造方法が提供される。
第３の実施形態により、配光特性の制御が容易であり、小型かつ高輝度なバックライト光源用途などの灯具が提供される。
【００５７】
第４の実施形態により、配光特性の制御が容易であり、小型かつ高輝度なヘッドランプ用途などの灯具が提供される。
【００５８】
さらに、第５の実施形態により、照射方向や配光特性の制御が容易であり、ＡＦＳなどに応用可能な灯具システムが提供される。
本実施形態の発光装置の製造方法はＳｉ基板などを用いてＷＬＰ型とすることが可能であるので、高い量産性とすることができる。その結果として価格低減が容易となる。
【００５９】
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら、本発明は。これらの実施形態に限定されない。本発明を構成する発光素子、基板、導波路、蛍光体層、透明基板、レンズ、導光板、光学シート、アクチュエータ、センサなどの材質、形状、サイズ、配置などに関して、当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００６０】
５ 発光装置、１０ 導光路、１２ 第１の方向、２０ 基板、３０ 蛍光体層、３７ 台座、４０ 透明基板、５０ レンズ、８１、８２、８３、１０１ 発光素子、１１８ 放出光、１１９ 波長変換光、５１３ 導光板、８００ 光学シート、９０１、９０２、９０３ アクチュエータ、９５０ センサ、９５２ 制御回路、９５４ アクチュエータ駆動回路、９５６ 発光素子電源回路、Ｓ１ 映像信号、Ｓ２ 発光素子制御信号、Ｓ３ アクチュエータ制御信号、Ｇ１、Ｇ２ 出射光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置及びその製造方法、灯具、並びに灯具システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光装置や灯具に半導体発光素子を用いると、省エネルギー化、長寿命化、小型化、軽量化などが容易になる。また、水銀などを使用しないので環境に対しても好ましい。
【０００３】
一般に、面発光型発光素子のチップはその表面上方に配光角の広い光を放出する。広い配光角を有する光を高輝度とするためには、チップサイズを大きくすると共に大きなレンズなどを用いて集光することが必要になる。
【０００４】
他方、ヘッドランプなどの照明装置及び液晶表示装置のバックライトなどの用途では、小型、薄型、及び軽量化などがますます要求されるようになっている。
【０００５】
消費電力の低減と高輝度化を満たすバックライトユニットに関する技術開示例がある（特許文献１）。この例では、赤色光、青色光、緑色光をそれぞれ放出する光源と、光源からの光を開口部に向けて反射する第１リフレクタタと、光源からの光をハウジングの他端に反射する第２リフレクタと、を備えたバックライトユニットが提供されている。
【０００６】
しかしながら、この例では、発光素子の発光部の幅を狭くすることが困難であり、高輝度及び光学系の小型化の要求を満たすには十分とは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１０６２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光学系を小型に保ちつつ高輝度化が容易な発光装置及びその製造方法、配光制御が容易な灯具及び灯具システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、発光素子と、第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板の上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
【００１０】
本発明の他の一態様によれば、発光素子と、第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記放出光を吸収して波長変換光を放出可能な蛍光体層と、前記蛍光体層の上に設けられ、前記上方光及び前記波長変換光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における前記放出光と前記波長変換光との混合光の配光特性を制御するレンズと、を有する発光装置と、一方の側面から入射された前記混合光を導光する導光板と、前記導光板の上面から出射した前記混合光を拡散して出射可能とする光学シートと、を備えたことを特徴とする灯具が提供される。
【００１１】
本発明のさらに他の一態様によれば、発光素子と、第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、を有する発光装置と、前記基板の傾斜角を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路と、を備えたことを特徴とする灯具が提供される。
【００１２】
本発明のさらに他の一態様によれば、発光素子と、第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、を有する発光装置と、前記基板の傾斜角を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路と、を有する灯具と、前記レンズからの出射光により照射された物体の映像を検出可能なセンサと、前記発光素子に電流を供給する発光素子電源回路と、検出された前記映像に基づいて、前記電流を制御する発光素子制御信号を前記発光素子電源回路に出力するとともに、前記出射光の照射方向を制御するアクチュエータ制御信号を前記アクチュエータ駆動回路に出力する制御回路と、を備えたことを特徴とする灯具システムが提供される。
【００１３】
本発明のさらに他の一態様によれば、ウェーハ状の基板に、配線パターンと、溝状の導光路と、分離溝と、を形成する工程と、放出光が前記導光路へ導入可能とされる発光素子を前記基板に接着し、前記発光素子の電極と前記配線パターンとを電気的に接続する工程と、透明基板の第１の主面に蛍光体層を形成し、前記第１の主面とは反対側の前記透明基板の第２の主面側にレンズを設ける工程と、前記導光路と前記蛍光体層とが対向するように、前記基板と前記透明基板の前記第１の主面側とを貼り合わせる工程と、前記分離溝に沿って前記基板及び前記透明基板を切断し分離する工程と、を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
光学系を小型に保ちつつ高輝度化が容易な発光装置及びその製造方法、配光制御が容易な灯具及び灯具システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図
【図２】発光素子を表す模式斜視図
【図３】導光路及びレンズの断面における光路を説明する図
【図４】比較例にかかる発光装置の模式図
【図５】発光装置の製造方法を説明する模式斜視図
【図６】レンズの変形例の模式斜視図
【図７】第１の実施形態の変形例の模式斜視図
【図８】第２の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図
【図９】第２の実施形態の変形例の模式斜視図
【図１０】第３の実施形態にかかる灯具の模式断面図
【図１１】第４の実施形態にかかる灯具の模式斜視図
【図１２】第５の実施形態にかかる灯具システムの模式斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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は本発明の第１の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図である。
発光装置５は、第１の方向１２に沿って溝状に設けられた導光路１０を有する基板２０と、発光素子１０１と、導光路１０上に設けられたレンズ５０と、を備えている。
【００１７】
発光素子１０１からの放出光１１８は導光路１０の一方の端部へ導入される。導入された放出光１１８は、第１の方向１２に沿って広がりつつ導光路１０の内壁面（側面及び／または底面）で反射され、基板２０の上方に向かう上方光１１８ａに転じる。レンズ５０は、導光路１０上に設けられ、上方光１１８ａを集光して第１の方向１２に対して略垂直な面内の配光特性を制御可能である。なお、発光装置５のうち、発光素子１０１を除いた構造を光学部３５と呼ぶことにする。
【００１８】
基板２０は、例えばＳｉなどからなり、導光路１０の幅ＷＧは５００μｍ以下とされる。溝状の導光路１０の内壁面にはＡｌやＡｇのような高反射体１５を設けると、導光路１０に入射した放出光を高反射体１５により効率よく反射可能となる。
【００１９】
図２は、発光素子を表す模式斜視図である。
発光素子１０１はＬＥＤ（Light Emitting Diode)やＬＤ（Laser Diode)とすることができる。本図において、発光素子１０１は、その放出光１１８の配光角を狭くできるＬＤ１０１であるものとする。ＬＤ１０１は、ｎ型クラッド層１１４、活性層１１２、ｐ型クラッド層１１３、基板、などを有している。
【００２０】
ｐ型クラッド層１１３の上方には、その両側が絶縁膜１１６で挟まれ、幅が数μｍのストライプ状共振器１１７が設けられている。このために、屈折率ガイド構造となっており、発光面積が略５μｍ２と小さく、かつ高い発光効率とできる。この構造により劈開端面（前面）１１５ａからの放出光１１８のＦＦＰ（Far Field Pattern)が制御可能とされる。ビーム広がり角は、光強度が最大値の２分の１となる角度で表す。例えば、活性層１１２に対して垂直方向へのビーム広がり角Ｆｖは略３０度、水平方向へのビーム広がり角Ｆｈは略１０度などとすることができる。なお、劈開端面（後面）１１５ｂの反射率を高めると、劈開端面（前面）１１５ａからの光出力を高めることが容易となる。
【００２１】
一般に導光路１０の幅及び深さと、ＬＤ１０１のＦＦＰと、をそれぞれ適正に選択すると、導光路１０からレンズ５０へ入射する光密度を第１の方向１２に沿って略均一にすることができる。なお、発光素子としては、配光角を狭くした面発光半導体素子や固体発光素子であってもよい。
【００２２】
レンズ５０の断面を適正な凸レンズ曲面とすると、導光路１０内の高反射体１５で反射された上方光１１８ａを集光し、第１の方向１２に対して略垂直な面における配光特性を制御することが容易となる。
【００２３】
次に、本実施形態における配光特性の制御について、より詳細に説明する。
図３（ａ）は導光路及びレンズの断面における光路を表す模式図、図３（ｂ）は光の広がり角を説明するグラフ図、である。
【００２４】
発光素子の発光部の幅をＷ、発光部とレンズ頂との距離をＤ、とする。また、発光部の中心は、レンズ頂の直下の位置とする。発光部からの光は、レンズ曲面における接線に対して垂直に入射するとは限らず、レンズを出射したのち広がる。この広がり角をΔθとする。Δθは発光部が幅Ｗを有する限り生じるので、これよりも狭い配光角を得ることは困難である。
【００２５】
図３（ｂ）において、縦軸は広がり角Δθ（度）、横軸はＤ／Ｗ、である。本図より、Δθを小さくするにはＤ／Ｗを大きくすることが必要である。例えば、Δθを１０度と狭くするには、Ｄ／Ｗは略９であることが必要である。すなわち、レンズサイズを大きくすることが必要である。この場合、発光部の幅Ｗを小さくするほど距離Ｄを小さくできるのでレンズを小型にできる。なお、発光面からの放出光は、広い角度成分を有するのでＤ／Ｗは９よりも大きいことが好ましい。
【００２６】
もし一方の方向の配光角を狭くする場合、発光部の幅を狭くすればレンズを小型化できることになる。マイクロレンズをこのレンズとして用いる場合、１ｃｍよりも小さく見える５ｍｍ程度の幅まで狭くすることが必要である。すなわち、発光部の幅は０．５ｍｍ程度であることが好ましい。
【００２７】
図４（ａ）は比較例にかかる発光装置の模式断面図、図４（ｂ）はこれを用いた灯具の模式斜視図、図４（ｃ）は発光素子チップの配光特性、である。
【００２８】
実装部材２５０には青色光を放出可能な発光素子チップ２０２が接着されており、その上部には蛍光体混合樹脂層３０２が設けられている。発光素子２０２のチップの配光特性は図４（ｃ）のようなランバート（Lambertian）分布であり、その半値全角は略１２０度×１２０度と広い。動作電流を２００ｍＡ以上として高輝度とする場合、チップサイズは、例えば１ｍｍ×１ｍｍなどとなる。図４（ｂ）は、この発光装置４０２からの６つの放出光をレフ６００及びレンズ７００を用いて集光し放出する灯具である。６つ発光装置から構成される灯具における発光部のサイズは大きくなる。
【００２９】
もし、半値全角が１５度の配光角とする場合、半値全角を図３のΔθと考えるとＤ／Ｗが略５．５となる。実際には放出光は広い角度成分を有しているのでＤ／Ｗは、略１０以上とする。このために、１ｍｍ×１ｍｍサイズの発光素子に対しては、略１０倍の１ｃｍ×１ｃｍ程度のサイズの光学系とすることが好ましい。さらに６つのチップであれば、より大きなサイズの光学系が必要となる。例えば、レフ６００やレンズ７００で配光角を狭く制御することが必要となる。すなわち、レフ６００やレンズ７００のサイズは大きくなる。このために、発光装置が大型サイズとなりその重量が増加する。このために発光装置をアクチュエータなどで駆動して配光特性を制御することは困難である。
【００３０】
これに対して、発光部の幅を狭くすることが容易な本実施形態では、光学部３５を小型化、薄型化することが容易である。このために、のちに説明するように、アクチュエータなどをさらに備えることにより、光学部３５の配光特性を制御することが容易となる。
【００３１】
本実施形態において、発光素子１０１をＩｎＧａＡｌＰ系またはＧａＡｌＡｓ系などの材料とすると発光波長が、例えば５００〜７５０ｎｍの範囲の可視光を放出可能である。なお、本明細書において、「ＩｎＧａＡｌＰ系」とは、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。また、「ＧａＡｌＡｓ系」とは、ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。
【００３２】
さらに、発光素子１０１をＩｎＧａＡｌＮ系材料とすると、例えば発光波長が３５０〜５４０ｎｍの紫外〜緑色光を放出可能である。なお、本明細書において、「ＩｎＧａＡｌＮ系」とは、ＢｘＩｎｙＧａｚＡｌ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。
【００３３】
本実施形態は、導光路１０とレンズ５０との間に蛍光体層３０をさらに備えた発光装置５とすることができる。すなわち、発光素子１０１をＩｎＧａＡｌＮ系材料とし、青紫〜青色光の放出光１１８とする。蛍光体層３０は、例えば黄色蛍光体粒子を含むものとすると、発光素子１０１の放出光１１８を吸収した蛍光体層３０は波長変換光１１９として黄色光を放出する。放出光と波長光との混合光は、白色または電球色などとすることができる。図１に表すように、上方光１１８ａは、レンズ５０により集光され、高輝度な出射光Ｇ１として第１の方向１２とは略垂直方向へ出射される。なお、蛍光体は、ＹＡＧなどからなる材料とし、赤色、緑色、青色（発光素子の放出光）などの混合色としても、白色または電球色とすることができる。
【００３４】
図５は、本実施形態にかかる発光装置の製造方法を説明する模式斜視図である。
Ｓｉなどからなる基板２０の第１の主面２０ａ側に、ドライエッチング法やウェットエッチング法などを用いて、溝状の導光路１０、発光素子１０１の接着及びワイヤボンディング用に凹部２０ｃ、基板２０を分離するための分離溝２５、をそれぞれ形成する。このために、第１の主面２０ａは段差を有する。
【００３５】
凹部２０ｃの底面に、発光素子１０１接着用の配線パターン２１ａ及びボンディング用の配線パターン２１ｂなどを形成する。配線パターン２１は、スルーホール（図示せず）などにより基板２０の第２の主面２０ｂと接続される。次に、幅５００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下の断面形状を有する溝状の導光路１０をエッチング法を用いて形成する。導光路１０の内壁面にはＡｌやＡｇなどを蒸着した高反射体１５を設けてもよい。高反射体１５が設けられた導光路１０は、第１の方向１２に沿って発光素子１０１からの放出光を導くことができる。
【００３６】
基板２０の凹部２０ｃの底面に設けられた配線パターン２１ａに、発光素子１０１をＡｕＳｎ共晶半田または導電性接着剤などを用いて接着し、配線パターン２１ｂと発光素子１０１の電極とをボンディングワイヤなどにより接続する。このようにして、図５（ａ）の構造を得ることができる。
【００３７】
他方、ガラスや樹脂などからなる透明基板４０の第１の面４０ａに設けられた溝に蛍光体層３０を形成する。蛍光体層３０は、例えば蛍光体粒子が混合された透光性樹脂を溝に塗布したのち硬化することにより形成できる。透明基板４０のサイズを基板２０のサイズと合わせると材料を有効に使用でき、生産性も高まる。
【００３８】
レンズ５０は、透明基板４０の第２の面４０ｂ上に、上方からみてその中心線が蛍光体層３０の中心線と略一致するように設けられ、図５（ｂ）の構造となる。なお、レンズ５０は、透明基板４０の第２の面４０ｂ側にエッチング法などを用いて形成可能である。または、レンズ５０は、透明基板４０のサイズと合わせたサイズのレンズ材料を用い、エッチング法または金型を用いた成型法により形成してもよい。
【００３９】
続いて、基板２０に設けられた金属パターン（図示せず）と、透明基板４０に設けられた金属パターン（図示せず）と、をレンズ５０の中心軸と導光路１０の中心軸とを重ね合わせて、加熱や加圧を行うと図５（ｃ）の構造が得られる。分離溝２５に沿って基板２０をダイシング法やスクライブ法などを用いて切断すると、図１に表す個々の発光装置が完成する。
【００４０】
図６は、レンズの変形例を表す模式斜視図である。
透明基板４０の上に、例えば第１の方向に略垂直な断面が凹凸部を有するようなマイクロパターニングされたレンズシートを貼り付けて、導光路１０の上方にレンズ５１を設けてもよい。
【００４１】
本実施形態の製造方法は、基板レベルで発光装置を製造するものでありＷＬＰ（Wafer Level Packaging）ということができる。このようにして、小型の発光装置を高い量産性で製造可能となる。
【００４２】
図７（ａ）は第１の実施形態の第１変形例、図７（ｂ）はその第２変形例、である。
【００４３】
図７（ａ）のように、溝状の導光路１０を高屈折率のガラス材４２を充填しても良い。また、図７（ｂ）のように、側面加工を行った光ファイバ４３を充填してもよい。さらに透明基板を２つ以上にすると、より高度な光学機能を備えることができる。
【００４４】
図８は、第２の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図である。
本実施形態は、２つ以上の発光素子及び導波路型光カプラ（optical waveguide coupler）などの光合波器７０を備えている。本図では、発光素子１０１、１０２、１０３は３つであり、それらの放出光は光合波器７０により合成されたのち、導光路１０へ入射される。３つの発光素子１０１、１０２、１０３の波長を略同一とすると光出力を増大し、より高輝度とできる。
【００４５】
図９は、第２の実施形態の変形例である。
発光素子８１、８２、８３は外部の実装部材にそれぞれ実装されている。その出力は光ファイバ９１、９２、９３などを介して光合波器７０にそれぞれ入射する。例えば、３つの発光素子８１、８２、８３が、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ出射するものとすると、導光路１０内において混合色が生成されるので、蛍光体層を省略可能である。
【００４６】
図１０は、第３の実施形態にかかる灯具の模式断面図である。
発光装置５からの出射光Ｇ１は、導光板５１３の側面５１３ａから導入される。導光板５１３の上面５１３ｃには光学シート８００が設けられている。入射した光は導光板５１３の下面５１３ｂで反射されたのち、その一部は光学シート８００へ導入され拡散されたのち上方へ出射する。また、残余の一部は、さらに反射により導光路５１３の他方の側面の方向へ向かって進む。このように反射を繰り返しながら光学シート８００の全面が略均一に照射されるようにすることができる。例えば、発光部の幅ＷＧを１００μｍ以下とすると、レンズが小型にしても配光角を狭くできるため導光板５１３からの光取り出し効率に改善が容易となる。また、灯具の薄型化が容易となる。このような灯具は、液晶表示装置のバックライト光源などとして使用可能である。
【００４７】
図１１（ａ）は第４の実施形態にかかる灯具の模式斜視図、図１１（ｂ）はその変形例の模式斜視図である。
本実施形態は、台座３７をさらに備えており、光学部３５は台座３７に取り付けられる。台座３７とは離間して設けられた発光素子８１、８２、８３のからの放出光は光ファイバなどを介して導光路１０へ導入される。発光部の幅は狭いので台座３７及びランプカバー３９のサイズを小型かつ薄型にできる。なお、発光部が取り付けられる台座３７の面は、光を反射可能なレフ機能を持たせるとより高輝度とできる。このような灯具は、自動車用ヘッドランプなどに用いることができる。また、導光路１０を第１の方向１２に長くすると、輝度を抑えた線光源からの出射光Ｇ１を得ることができる。
【００４８】
図１１（ｂ）の変形例では、光学部３５を３つ台座３７の上に配置し、１つ当たりの輝度を弱めることにより、グレアが抑制されつつ高輝度の出射光Ｇ２を得ることができる。
【００４９】
図１２は、第５の実施形態にかかる灯具システムの模式斜視図である。
本灯具システムは、灯具と、アクチュエータ９０１、９０２、９０３と、アクチュエータ駆動回路９５４と、を備えている。灯具は、図１１（ｂ）に表す第４の実施形態にかかるものとし、３つの光学部３５ａ、３５ｂ、３５ｃの基板２０の第２の主面２０ｂ側は、アクチュエータ９０１、９０２、９０３の上にそれぞれ載置される。アクチュエータ９０１、９０２、９０３は、アクチュエータ駆動回路９５４とそれぞれ接続されている。
台座３７の上に載置されるアクチュエータ９０１、９０２、９０３は、油圧装置、小型モータ、ソレノイドコイル、形状記憶合金、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems)などからなる。アクチュエータ駆動回路９５４によりアクチュエータ９０１、９０２、９０３の上に載置される光学部３５ａ、３５ｂ、３５ｃをそれぞれ駆動すると基板２０の傾斜角を変化できる。このようにして、出射光Ｇ２の照射方向及び合成された配光特性を制御することができる。アクチュエータの上に発光素子を載置することもできるが、アクチュエータが大型となり、その駆動特性の低下や駆動電力の増加など生じる。本図のように、発光素子８１、８２、８３を光学部３５ａ、３５ｂ、３５ｃからそれぞれ分離すると、光学部３５の駆動が容易となる。なお、灯具は、図１０の第３実施形態であってもよい。
【００５０】
また、本灯具システムは、制御回路９５２と、センサ９５０と、をさらに備えることができる。センサ９５０は、例えばＣＣＤなどの撮像素子を有し、灯具からの出射光Ｇ２により照射された物体の映像を検出する。センサ９５０の映像信号Ｓ１は、ＭＰＵ（Microprocessing unit）などからなる制御回路９５２へ入力され解析される。
【００５１】
アクチュエータ９０１、９０２、９０３は、アクチュエータ駆動回路９５４から出力された駆動信号ＳＤにより光学部３５ａ、３５ｂ、３５ｃからの出射光Ｇ２の照射方向をそれぞれ制御できる。
【００５２】
発光素子電源回路９５６には、映像解析結果に基づいた制御回路９５２からの発光素子制御信号Ｓ２が入力され、発光素子８１、８２、８３への電流ＩＬをそれぞれ制御して供給可能である。
【００５３】
このような灯具を自動車のヘッドランプに用いる場合、制御回路９５２は映像を解析し、対向車や歩行者への出射光Ｇ２の輝度を変化させる発光素子制御信号Ｓ２を発光素子電源回路９５６へ向けて出力可能である。例えば、輝度が高すぎると判断した時、発光素子への電流ＩＬを低減できる。
また、制御回路９５２は、出射光Ｇ２の照射方向を変化させるアクチュエータ制御信号Ｓ３をアクチュエータ駆動回路９５４へ向けて出力する。例えば、対向車や歩行者へ照射方向が適正でないと判断した時、その照射方向を変化する。このようにして、対向車や歩行者へ対するグレアを抑制することが容易となる。
【００５４】
さらに、アクチュエータを２つ設けると、第１の配光特性と第２の配光特性とを合成し全体の配光特性を制御することができる。なお、照射の制御方向は、鉛直方向に限定されず水平方向とすることも可能である。
【００５５】
本実施形態により、ＡＦＳ（Adaptive Front-Lighting System）など高度なシステムが容易となる。例えば、ステアリングやウインカに連動して配光特性を制御できる。
また、コーナーにおいて、対向車へのグレアが予想される場合、一時消灯及び再点灯などを自動制御することができる。さらに、走行速度に応じて、輝度及び配光特性を自動制御することも可能である。
【００５６】
第１及び第２の実施形態及びこれらに付随する変形例により、光学系を小型に保ちつつ高輝度化が容易な発光装置及びその製造方法が提供される。
第３の実施形態により、配光特性の制御が容易であり、小型かつ高輝度なバックライト光源用途などの灯具が提供される。
【００５７】
第４の実施形態により、配光特性の制御が容易であり、小型かつ高輝度なヘッドランプ用途などの灯具が提供される。
【００５８】
さらに、第５の実施形態により、照射方向や配光特性の制御が容易であり、ＡＦＳなどに応用可能な灯具システムが提供される。
本実施形態の発光装置の製造方法はＳｉ基板などを用いてＷＬＰ型とすることが可能であるので、高い量産性とすることができる。その結果として価格低減が容易となる。
【００５９】
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら、本発明は。これらの実施形態に限定されない。本発明を構成する発光素子、基板、導波路、蛍光体層、透明基板、レンズ、導光板、光学シート、アクチュエータ、センサなどの材質、形状、サイズ、配置などに関して、当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００６０】
５ 発光装置、１０ 導光路、１２ 第１の方向、２０ 基板、３０ 蛍光体層、３７ 台座、４０ 透明基板、５０ レンズ、８１、８２、８３、１０１ 発光素子、１１８ 放出光、１１９ 波長変換光、５１３ 導光板、８００ 光学シート、９０１、９０２、９０３ アクチュエータ、９５０ センサ、９５２ 制御回路、９５４ アクチュエータ駆動回路、９５６ 発光素子電源回路、Ｓ１ 映像信号、Ｓ２ 発光素子制御信号、Ｓ３ アクチュエータ制御信号、Ｇ１、Ｇ２ 出射光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板の上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、
前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、
を備えたことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
光合波器をさらに備え、
前記発光素子は、第１の発光波長を有する第１の発光素子と、前記第１の発光波長とは異なる第２の発光波長を有する第２の発光素子と、を含み、
前記第１及び第２の発光素子からの放出光は、前記光合波器により合成されて混合光となったのち、前記導光路へ導入されることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記基板と前記レンズとの間に設けられ、前記放出光を吸収して波長変換光を放出可能な蛍光体層をさらに備え、
前記レンズは、前記波長変換光をさらに集光し、前記第１の方向に対して略垂直な面内において前記上方光と前記波長変換光との混合光の配光特性を制御することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項４】
前記導光路の幅は、５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
【請求項５】
発光素子と、
第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記放出光を吸収して波長変換光を放出可能な蛍光体層と、前記蛍光体層の上に設けられ、前記上方光及び前記波長変換光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における前記放出光と前記波長変換光との混合光の配光特性を制御するレンズと、を有する発光装置と、
一方の側面から入射された前記混合光を導光する導光板と、
前記導光板の上面から出射した前記混合光を拡散して出射可能とする光学シートと、
を備えたことを特徴とする灯具。
【請求項６】
前記基板の傾斜角を変化させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載の灯具。
【請求項７】
発光素子と、
第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、を有する発光装置と、
前記基板の傾斜角を変化させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路と、
を備えたことを特徴とする灯具。
【請求項８】
前記発光装置は、前記基板と前記レンズとの間に設けられ、前記放出光を吸収して波長変換光を放出可能な蛍光体層をさらに有し、
前記レンズは、前記波長変換光をさらに集光し、前記第１の方向に対して略垂直な面内において前記上方光と前記波長変換光との混合光の配光特性を制御することを特徴とする請求項７記載の灯具。
【請求項９】
請求項７または８に記載の灯具と、
前記レンズからの出射光により照射された物体の映像を検出可能なセンサと、
前記発光素子に電流を供給発光素子電源回路と、
検出された前記映像に基づいて、前記電流を制御する発光素子制御信号を前記発光素子電源回路に出力するとともに、前記出射光の照射方向を制御するアクチュエータ制御信号を前記アクチュエータ駆動回路に出力する制御回路と、
を備えたことを特徴とする灯具システム。
【請求項１０】
前記アクチュエータは、第１のアクチュエータと、第２のアクチュエータと、を含み、
前記第１のアクチュエータによる第１の配光と、前記第２のアクチュエータによる第２の配光と、が合成されることを特徴とする請求項９記載の灯具システム。
【請求項１１】
ウェーハ状の基板に、配線パターンと、溝状の導光路と、分離溝と、を形成する工程と、
放出光が前記導光路へ導入可能とされる発光素子を前記基板に接着し、前記発光素子の電極と前記配線パターンとを電気的に接続する工程と、
透明基板の第１の主面に蛍光体層を形成し、前記第１の主面とは反対側の前記透明基板の第２の主面側にレンズを設ける工程と、
前記導光路と前記蛍光体層とが対向するように、前記基板と前記透明基板の前記第１の主面側とを貼り合わせる工程と、
前記分離溝に沿って前記基板及び前記透明基板を切断し分離する工程と、
を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項１】
発光素子と、
第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板の上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、
前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、
を備えたことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
光合波器をさらに備え、
前記発光素子は、第１の発光波長を有する第１の発光素子と、前記第１の発光波長とは異なる第２の発光波長を有する第２の発光素子と、を含み、
前記第１及び第２の発光素子からの放出光は、前記光合波器により合成されて混合光となったのち、前記導光路へ導入されることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記基板と前記レンズとの間に設けられ、前記放出光を吸収して波長変換光を放出可能な蛍光体層をさらに備え、
前記レンズは、前記波長変換光をさらに集光し、前記第１の方向に対して略垂直な面内において前記上方光と前記波長変換光との混合光の配光特性を制御することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項４】
前記導光路の幅は、５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
【請求項５】
発光素子と、
第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記放出光を吸収して波長変換光を放出可能な蛍光体層と、前記蛍光体層の上に設けられ、前記上方光及び前記波長変換光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における前記放出光と前記波長変換光との混合光の配光特性を制御するレンズと、を有する発光装置と、
一方の側面から入射された前記混合光を導光する導光板と、
前記導光板の上面から出射した前記混合光を拡散して出射可能とする光学シートと、
を備えたことを特徴とする灯具。
【請求項６】
前記基板の傾斜角を変化させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載の灯具。
【請求項７】
発光素子と、
第１の方向に沿って延在する溝状の導光路を有する基板であって、前記発光素子から放出され前記導光路へ導入された放出光が前記第１の方向に沿って広がりつつ前記導光路の内壁面で反射され前記基板上方に向かう上方光に転じる、導光路を有する基板と、前記導光路の上に設けられ、前記上方光を集光して前記第１の方向に対して略垂直な面内における配光特性を制御するレンズと、を有する発光装置と、
前記基板の傾斜角を変化させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路と、
を備えたことを特徴とする灯具。
【請求項８】
前記発光装置は、前記基板と前記レンズとの間に設けられ、前記放出光を吸収して波長変換光を放出可能な蛍光体層をさらに有し、
前記レンズは、前記波長変換光をさらに集光し、前記第１の方向に対して略垂直な面内において前記上方光と前記波長変換光との混合光の配光特性を制御することを特徴とする請求項７記載の灯具。
【請求項９】
請求項７または８に記載の灯具と、
前記レンズからの出射光により照射された物体の映像を検出可能なセンサと、
前記発光素子に電流を供給発光素子電源回路と、
検出された前記映像に基づいて、前記電流を制御する発光素子制御信号を前記発光素子電源回路に出力するとともに、前記出射光の照射方向を制御するアクチュエータ制御信号を前記アクチュエータ駆動回路に出力する制御回路と、
を備えたことを特徴とする灯具システム。
【請求項１０】
前記アクチュエータは、第１のアクチュエータと、第２のアクチュエータと、を含み、
前記第１のアクチュエータによる第１の配光と、前記第２のアクチュエータによる第２の配光と、が合成されることを特徴とする請求項９記載の灯具システム。
【請求項１１】
ウェーハ状の基板に、配線パターンと、溝状の導光路と、分離溝と、を形成する工程と、
放出光が前記導光路へ導入可能とされる発光素子を前記基板に接着し、前記発光素子の電極と前記配線パターンとを電気的に接続する工程と、
透明基板の第１の主面に蛍光体層を形成し、前記第１の主面とは反対側の前記透明基板の第２の主面側にレンズを設ける工程と、
前記導光路と前記蛍光体層とが対向するように、前記基板と前記透明基板の前記第１の主面側とを貼り合わせる工程と、
前記分離溝に沿って前記基板及び前記透明基板を切断し分離する工程と、
を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−４０２６３（Ｐ２０１１−４０２６３Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８６０６８（Ｐ２００９−１８６０６８）
【出願日】平成２１年８月１０日（２００９．８．１０）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１０日（２００９．８．１０）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
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