JP7243330B2 - 発光素子及び車両用灯具、並びに発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子及び車両用灯具、並びに発光素子の製造方法に関する。

従来、例えば前照灯等の車両用灯具は、発光素子からの光をリフレクタやレンズ等の光学部材を介して外部に出射して路面や前方に配光像を形成する。このような車両用灯具の発光素子には、複数の光半導体チップと、複数の光半導体チップ上のそれぞれに設けられた複数の蛍光板材とを有したものが提案されている。この車両用灯具は、各光半導体チップからの光を重ね合わせて所定の配光を形成する。

ここで、上記発光素子は、位置精度のバラツキによって蛍光板材同士が重ならないように各蛍光板材間に隙間が形成されている。これらの隙間は配光における暗部となってしまうことから、暗部を消すために沢山の発光像を用いる必要があり、設計し難く満足な配光を形成し難くなってしまう。

そこで、複数の光半導体チップ上を一括して覆う蛍光板材を備えた発光素子が提案されている（例えば特許文献１，２参照）。この発光素子によれば、複数の光半導体チップ上を蛍光板材によって一括して覆うことで、上記の暗部を無くすことができる。

特開２０１１－１２４０８８号公報 国際公開第２０１４／１７１２７７号公報

しかし、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、特許文献１，２に記載の発光素子において複数の光半導体チップ１１３は、その厚さバラツキ等により、蛍光体に近接する面（上面）の光軸方向（高さ方向）の位置にバラツキが生じてしまう。また、蛍光板材１１５は、ガラスやセラミックが支持体となっているため、複数の光半導体チップ１１３側の面が平面となっている。このため、複数の光半導体チップ１１３と蛍光板材１１５とを接着する接着層１１４の厚みが各光半導体チップ１１３のそれぞれで異なってしまう。接着層１１４は熱伝導率が著しく悪いことから、接着層１１４の厚い部分における光半導体チップ１１３からの熱は放熱され難く高温化が原因となって色ムラや輝度ムラが生じてしまう。

なお、この問題は発光素子が蛍光板材を有する場合に限らず、例えば拡散材を含有した保護板材等、他の光透過性の板材を備える場合にも共通する問題である。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、投影像の暗部を無くすと共に、光半導体チップ上面の光軸方向の位置にバラツキがあっても色ムラ及び輝度ムラが生じる可能性を低減することができる発光素子及び車両用灯具、並びに発光素子の製造方法を提供することにある。

本開示の一側面に係る発光素子は、光を出射する複数の光半導体チップと、複数の光半導体チップの光出射側に接着層を介して設けられ、複数の光半導体チップを一括して覆う光透過性の樹脂で構成される板状部材と、を備え、板状部材は、複数の光半導体チップ側の面である特定面に、複数の光半導体チップの上面の光軸方向における位置のバラツキに応じた段部を有し、段部によって特定面と各光半導体チップの上面との距離が均一化され、接着層は、特定面と各光半導体チップの上面との距離が均一化されることで、各光半導体チップと板状部材との間の厚みが均一化されている。

また、本開示の一側面に係る車両用灯具は、上記に記載の発光素子と、発光素子からの光を外部に導くための光学部材とを備える。

さらに、本開示の一側面に係る発光素子の製造方法は、配列された複数の光半導体チップ上に、光透過性の樹脂で構成される半硬化状態の板状部材を載置する第１工程と、接着層を介して第１工程において載置された板状部材を複数の光半導体チップ側に押圧して、複数の光半導体チップ側の面である特定面に、複数の光半導体チップの上面の光軸方向における位置のバラツキに応じた段部を形成することで、特定面と各光半導体チップの上面との距離を均一化する第２工程と、第２工程において押圧された板状部材を硬化させる第３工程と、を備え、接着層は、第２工程において特定面と各光半導体チップの上面との距離が均一化されることで、各光半導体チップと板状部材との間の厚みが均一化されている。

本発明によれば、投影像の暗部を無くすと共に、光半導体チップ上面の光軸方向の位置にバラツキがあっても色ムラ及び輝度ムラが生じる可能性を低減することができる発光素子及び車両用灯具、並びに発光素子の製造方法を提供することができる。

本実施形態に係る車両用灯具を示す側方断面図である。 図１に示した発光素子の詳細を示す側方断面図である。 本実施形態に係る発光素子の製造方法を示す工程図であり、（ａ）は第１工程を示し、（ｂ）は第２工程を示し、（ｃ）は第３工程を示している。 比較例に係る車両用灯具を示す側方断面図であり、（ａ）は全体図を示し、（ｂ）は一部拡大図を示している。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図１は、本実施形態に係る車両用灯具を示す側方断面図である。図１に示すように車両用灯具１は、例えば車両の前方に設置されて前方側に向けて光を照射する前照灯であって、発光素子１０と、リフレクタ（光学部材）２０と、ヒートシンク部材３０と、レンズ部（光学部材）４０とを備えている。

発光素子１０は、光源となる複数の光半導体チップ（後述の符号１３）を備え、複数の光半導体チップ１３からの光をリフレクタ２０に向けて出射するものである。リフレクタ２０は、光をレンズ部４０側に向けて反射する反射部材であって、例えば回転楕円面で形成される凹型反射面２０ａを備えている。凹型反射面２０ａは、第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２とを形成しており、発光素子１０の複数の光半導体チップは第１焦点Ｆ１となる位置に配置されている。

ヒートシンク部材３０は、発光素子１０からの熱を放熱するためのものであって、Ｌ字形状となる複数枚のフィン３１を備えたものである。このヒートシンク部材３０は、発光素子１０及びリフレクタ２０を集約的に配置する基台を兼ねている。また、ヒートシンク部材３０は、前端側がシェード３２を構成している。シェード３２は、発光素子１０から出射されてリフレクタ２０で反射された反射光の一部を遮断や反射することで、配光パターンを形成するものである。

レンズ部４０は、リフレクタ２０により反射された光を透過することにより、例えば水平面に対して略平行な平行光として出射するものである。

以上のような車両用灯具１では、発光素子１０からの光は、リフレクタ２０の凹型反射面２０ａによって反射されて第２焦点Ｆ２（例えばシェード３２の前端位置）付近に集光され、一部遮断や反射した後にレンズ部４０を介して外部に導かれる。

図２は、図１に示した発光素子１０の詳細を示す側方断面図である。図２に示すように発光素子１０は、基板１１と、チップ接合材１２と、複数の光半導体チップ１３と、接着層１４と、板状部材（光波長変更板）１５とを備えている。

基板１１は、複数の光半導体チップ１３を発光させるための回路パターンが形成されたものであって、ガラスエポキシ、樹脂、セラミックス等の絶縁性部材を主体に構成されている。この基板１１上には、チップ接合材１２を介して複数の光半導体チップ１３が搭載されている。

複数の光半導体チップ１３は、１以上のＬＥＤ（Light Emitting Diode）を搭載したものであって、図２に示す高さ方向（光軸方向）に向けて光を出射するものである。接着層１４は、複数の光半導体チップ１３と板状部材１５とを接合するものである。接着層１４は熱伝導率が著しく悪いものもあり、その厚みは極力抑えられることが好ましい。

板状部材１５は、複数の光半導体チップ１３の光出射側に接着層１４を介して設けられるものである。この板状部材１５は、シリコーン樹脂等の微小変形できる光透過性の透明性樹脂を母材とするものであり、この母材に対してＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）等の蛍光体粒子（波長変更材）１６を添加した蛍光板材によって構成されている。なお、板状部材１５は、透明性樹脂に限らず、光透過性であれば有色の樹脂であってもよい。

ここで、板状部材１５は、複数の光半導体チップ１３側の面に、複数の光半導体チップ１３の上面の高さ方向における位置のバラツキを吸収するための段部１５ａが形成されている。図２に示すように、複数の光半導体チップ１３は、チップ厚のバラツキやチップ接合材厚のバラツキにより、それら上面の高さ方向における位置に多少のバラツキが生じる。板状部材１５は、当該上面が、やや一方側に突出する光半導体チップ１３に対して凹部１５ｂを有し、やや他方側に引っ込む光半導体チップ１３に対して凸部１５ｃを有することとなる。

これにより、複数の光半導体チップ１３について上面の位置が光軸方向にバラツキを有していたとしても、各光半導体チップ１３の上面と板状部材１５との距離を均一化させることができ、特定の光半導体チップ１３について接着層１４が厚くなってしまう事態を防止し、色ムラ及び輝度ムラが生じる可能性を低減するようにしている。

さらに、板状部材１５のうち凹部１５ｂの形成部分は、凸部１５ｃの形成部分よりも蛍光体粒子１６の密度が高くなっている。すなわち、板状部材１５は、板厚が小さくなる部位ほど蛍光体粒子１６の密度が高くされている。

これにより、板厚が小さい部分についても大きい部分と同様に蛍光体粒子１６の数を確保して色ムラが発生してしまう可能性を低減するようにしている。

なお、図示を省略するが、基板１１上のうち、複数の光半導体チップ１３、接着層１４、及び板状部材１５の周囲には、反射部材が設けられており、複数の光半導体チップ１３の光の漏れを防止するようにしている。

次に、本実施形態に係る発光素子１０の製造方法について説明する。図３は、本実施形態に係る発光素子１０の製造方法を示す工程図であり、（ａ）は第１工程を示し、（ｂ）は第２工程を示し、（ｃ）は第３工程を示している。

まず、図３（ａ）に示すように、まず基板１１上にチップ接合材１２を介して複数の光半導体チップ１３が搭載される。次いで、接着層１４を有した板状部材１５を用意し、接着層１４が複数の光半導体チップ１３側となるように載置する。この際、用意される板状部材１５は、樹脂がＢステージ状態（半硬化状態）となっている。また、板状部材１５には、略均一となる密度で蛍光体粒子１６が含有されている。なお、接着層１４は、光半導体チップ１３の上面にディスペンス法などにより塗布する方法でも良い。

次に、図３（ｂ）に示すように、Ｂステージ状態の板状部材１５が複数の光半導体チップ１３に押圧される。ここで、複数の光半導体チップ１３の上面は高さ方向に位置のバラツキを有することから、押圧によってＢステージ状態の板状部材１５には段部１５ａが形成されることとなる。さらに、板状部材１５には略均一となる密度で蛍光体粒子１６が含有されていることから、段部１５ａが形成されて薄くなった箇所（凹部１５ｂ）については、蛍光体粒子１６の密度が高くなる。すなわち、板状部材１５の板厚が小さくなるほど蛍光体粒子１６の密度が高くなる。なお、押圧に際しては、板状部材１５のうち複数の光半導体チップ１３側と反対側の面に凹凸が形成されないように板状部材１５よりも幅広の面を利用して行われる。

次に、板状部材１５が複数の光半導体チップ１３の上面の高さのバラツキに馴染んだ後で、図３（ｃ）に示すように、板状部材１５を硬化させる。このとき、板状部材１５は例えば高温環境下に曝されて完全に硬化した状態とされる。

このようにして、本実施形態に係る発光素子１０によれば、複数の光半導体チップ１３を一括して覆う光透過性の樹脂で構成される板状部材１５を備えるため、光半導体チップ１３間の隙間に基づく投影像の暗部を無くすことができる。さらに、板状部材１５は、複数の光半導体チップ１３の上面の光軸方向における位置のバラツキに応じた段部１５ａが形成されているため、複数の光半導体チップ１３の位置が光軸方向にバラツキを有していたとしても、各光半導体チップ１３と板状部材１５との距離を均一化させることができ、特定の光半導体チップ１３について接着層１４が厚くなってしまう事態を防止し、色ムラ及び輝度ムラが生じる可能性を低減するようにしている。

また、板状部材１５は、照射された光の波長を変更させる蛍光体粒子１６を含有するものであるため、押圧等して段部１５ａが作成された場合等には、板厚が小さい部分についても大きい部分と同様に蛍光体粒子１６の数を確保して色ムラが発生してしまう可能性を低減するようにしている。

また、本実施形態に係る車両用灯具１によれば、発光素子１０と、発光素子１０からの光を外部に導くためのリフレクタ２０やレンズ部４０を備えるため、投影像の暗部を無くすと共に、色ムラ及び輝度ムラが生じる可能性を低減することができる車両用灯具１を提供することができる。

さらに、本実施形態に係る発光素子１０の製造方法によれば、複数の光半導体チップ１３上に、光透過性の樹脂で構成される半硬化状態の板状部材１５を載置し、載置された板状部材１５を複数の光半導体チップ１３側に押圧して、複数の光半導体チップ１３の上面の光軸方向における位置のバラツキに応じた段部１５ａを形成するため、個々の発光素子１０毎に異なるバラツキに応じた段部１５ａを押圧により形成して、色ムラ及び輝度ムラが生じる可能性を低減した発光素子１０を製造することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、実施形態同士の技術や公知・周知技術を組み合わせてもよい。

例えば、本実施形態に係る車両用灯具１はリフレクタ２０を備えているが、これに限らず、リフレクタ２０を備えない直射型の灯具であってもよい。また、車両用灯具１は、２以上のリフレクタ２０やレンズ部４０を備えるものであってもよい。

さらに、本実施形態において板状部材１５は蛍光板材であるが、これに限らず、例えば拡散材を含有した保護板材等、他の光透過性の板材であってもよい。

１ ：車両用灯具
１０ ：発光素子
１１ ：基板
１２ ：チップ接合材
１３ ：光半導体チップ
１４ ：接着層
１５ ：板状部材（光波長変更板）
１５ａ ：段部
１５ｂ ：凹部
１５ｃ ：凸部
１６ ：蛍光体粒子（波長変更材）
２０ ：リフレクタ（光学部材）
２０ａ ：凹型反射面
３０ ：ヒートシンク部材
３１ ：フィン
３２ ：シェード
４０ ：レンズ部（光学部材）
Ｆ１ ：第１焦点
Ｆ２ ：第２焦点

Claims (4)

1. 光を出射する複数の光半導体チップと、
   前記複数の光半導体チップの光出射側に接着層を介して設けられ、前記複数の光半導体チップを一括して覆う光透過性の樹脂で構成される板状部材と、を備え、
   前記板状部材は、前記複数の光半導体チップ側の面である特定面に、前記複数の光半導体チップの上面の光軸方向における位置のバラツキに応じた段部を有し、前記段部によって前記特定面と各光半導体チップの上面との距離が均一化され、
   前記接着層は、前記特定面と各光半導体チップの上面との距離が均一化されることで、各光半導体チップと前記板状部材との間の厚みが均一化されている
   ことを特徴とする発光素子。
2. 前記板状部材は、照射された光の波長を変更させる波長変更材を含有する光波長変更板である
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の発光素子と、
   前記発光素子からの光を外部に導くための光学部材と、
   を備えることを特徴とする車両用灯具。
4. 配列された複数の光半導体チップ上に、光透過性の樹脂で構成される半硬化状態の板状部材を載置する第１工程と、
   接着層を介して前記第１工程において載置された板状部材を前記複数の光半導体チップ側に押圧して、前記複数の光半導体チップ側の面である特定面に、前記複数の光半導体チップの上面の光軸方向における位置のバラツキに応じた段部を形成することで、前記特定面と各光半導体チップの上面との距離を均一化する第２工程と、
   前記第２工程において押圧された板状部材を硬化させる第３工程と、を備え、
   前記接着層は、前記第２工程において前記特定面と各光半導体チップの上面との距離が均一化されることで、各光半導体チップと前記板状部材との間の厚みが均一化されている
   ことを特徴とする発光素子の製造方法。

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