発光ダイオードを用いた光源

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【発明の名称】	発光ダイオードを用いた光源
【発明者】	【氏名】末広好伸【氏名】内田浩二
【要約】	【課題】【解決手段】

【特許請求の範囲】
【請求項１】複数の発光ダイオードと、平面状基板と、コンデンサレンズとを有し、前記各発光ダイオードは発光素子と、発光素子に電力を供給するリードと、これらを光透過性樹脂で封止すると共に該発光素子の発光面に対向する側に凹面状反射面をかつ該発光素子の背面側に放射面とがモールド形成され、前記リードは一方向に引き出されており、前記基板には、前記複数の発光ダイオードのリードが引き出されていない方向に隣接して同心円状に配列されることを特徴とする発光ダイオードを用いた光源。
【請求項２】前記コンデンサレンズは、同心円状に配列された複数の発光ダイオードと他の同心円状に配列された複数の発光ダイオードとの間に段差を形成したフレネルレンズを配置して構成することを特徴とする請求項１項記載の発光ダイオードを用いた光源。
【請求項３】前記発光ダイオードは、リードが引き出されていない側が切断されていることを特徴とする請求項１または２項記載の発光ダイオードを用いた光源。
【請求項４】前記発光ダイオードを用いた光源は、光ファイバの開口数に対応していることを特徴とする発光ダイオード用いた光ファイバ用光源。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子が発する光を凹面状反射面で反射した後に外部に放射する反射型発光ダイオードを複数個用いた発光ダイオードを用いた光源の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、光学機器としてのプリンタ、コピー機あるいはファクシミリ等に使用される光源としてハロゲン電球がある。また、最近では光学装置内での光源からの熱線の問題、装置の大きさや容積、光源の制御の容易性あるいは光源の寿命という観点から、発光ダイオードが注目されるようになっている。この種の発光ダイオードとして、図６に示すような、発光素子をレンズ状に形成した光透過性樹脂にモールドしたレンズ型発光ダイオードが知られている。図４中、４０はレンズ型発光ダイオードであり、４２は発光素子、４４ａ，４４ｂはリード、４６はワイヤ、４８は光透過性樹脂、４９は光を放射するレンズ面である。又、本出願人が先に提案した発光素子を光透過性樹脂にモールドし、該樹脂に発光素子の発光面に対向する側に反射面を、かつ背面側に放射面を形成した反射型発光ダイオードもよく知られている。
【０００３】そして、ＣＣＤ画像認識用光源や大口径の光ファイバー用光源というような、直径数センチのエリアへ光を照射する構造では、同一面の基板上に複数のレンズ型発光ダイオードを所定の方向へ向けて、密に配列した光源が使用されている。この発光ダイオードを用いた光源は、各発光ダイオードが同一方向を向いているため、各発光ダイオードから放射される光は照射エリアへ照射される。しかしながら、このような発光ダイオードランプでは、均斉度の高い照射特性が得られないか、非常に困難であるという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】そこで、前記複数のレンズ型発光ダイオードを平面状基板に配列し、同一方向に照射されるように、各発光ダイオードの向きを調整している。しかしながら、多数の発光ダイオードを同一方向に照射されるように、各々の向きを調整することは非常に困難である。
【０００５】これは、幾何学的にその向きを照射点に向けるだけでも困難であり、レンズ型発光ダイオードは製造上それ自体の配光中心の精度が低いため、幾何学的に照射点へ向けるだけでは不十分であり、配光中心のズレを発光ダイオードの向き調整により修正する必要があるからである。さらに、レンズ型発光ダイオードは光を有効に平行光として外部放射することができない。このように、製造が困難で、光学特性及び照射効率が悪いという問題がある。
【０００６】一方、光ファイバ用光源では、光ファイバへの有効な光結合、焦点深度を得るための十分な照度が求められている。本発明は前記に鑑みてなされたもので、複数の反射型発光ダイオードを光源として用い、作業効率がよく、照射エリアにおいて均斉度が高くかつ外部放射効率が高いという優れた光学特性を有する発光ダイオードを用いた光源を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、複数の発光ダイオードと平面状基板とコンデンサレンズとを有し、前記各発光ダイオードは発光素子と発光素子に電力を供給するリードとこれらを光透過性樹脂で封止すると共に該発光素子の発光面に対向する側に凹面状反射面をかつ該発光素子の背面側に放射面とがモールド形成され、前記リードは一方向に引き出されており、前記基板には前記複数の発光ダイオードのリードが引き出されていない方向に隣接して同心円状に配列されることを特徴とする。前記コンデンサレンズは、同心円状に配列された複数の発光ダイオードと他の同心円状に配列された複数の発光ダイオードとの間に段差を形成したフレネルレンズを配置して構成することを特徴とする。また、前記発光ダイオードは、リードが引き出されていない側が切断されていることを特徴とする。さらに、前記発光ダイオードを用いた光ファイバ用光源は、光ファイバの開口数に対応していることを特徴とする。
【０００８】前記構成によると、反射型発光ダイオードを用いているので、外部放射効率がよく、高い照射密度とでき、該発光ダイオードを幾何学的に配列して、レンズによって集光することにより、均斉度の高い光源とすることができる。又、複数の発光ダイオードは一方向にリードが引き出され、リードが引き出されていない側が隣接するように同心円状に配列されており、密実装できるので、高い照射密度とできる。
【０００９】また、段差部を有するフレネルレンズは金型による成形に適し、段差部による光学的損失が生じない。さらに、反射型発光ダイオードはリードが引き出されていない側が切断されているため、より密な実装が可能となり、より高い照射密度とできる。さらにまた、発光ダイオードを用いた光ファイバ用光源は光ファイバの開口数に対応しているので、光ファイバの開口部に集光した光は有効に光ファイバによって伝達される。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施例に基づき説明する。図１は本発明の一実施形態である発光ダイオードを用いたの概略正面図、図２は該光源のＡ－Ａ矢視方向概略断面図、図３はこの光源に使用される発光ダイオードの概略正面図、図４は発光ダイオードをｘ軸方向から見たときの概略側面図、図５は発光ダイオードをｙ軸方向から見たときの概略側面図である。なお、図３，４，５において、ｚ軸は凹面状反射面の中心軸方向、ｘ軸及びｙ軸は発光ダイオードの発光面を含む平面における直交座標軸である。図１，２に示す発光ダイオードを用いた光源は１５２個の反射型発光ダイオード１０と、平面状基板３０と、フレネルレンズ４０を備えるものである。本実施形態では、多数の発光ダイオード１０を同心円状に配列した光源を得る場合について説明する。
【００１１】図３，４，５に示すように、反射型発光ダイオード１０は発光素子１２と、リード１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとワイヤ１６と、光透過性材料１８と、凹面状反射面２２と、放射面２４と、支持部２６とを有する。ここで、リード１４ａ，１４ｂは、発光素子に電力を供給するためのものである。発光素子１２はリード１４ａ上にマウントされ、発光素子１２とリード１４ｂとはワイヤ１６により電気的に接続されている。又、発光素子１２，リード１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの先端部及びワイヤ１６とは、光透過性材料１８により一体的にモールドされている。そして、リード１４ａ，１４ｂとリード１４ｃ，１４ｄとは、光透過性材料１８の側面から互いに反対方向に引き出されている。なお、リード１４ｃ，１４ｄは電気配線用のものではなく、必要に応じて発光ダイオードを保持するためのものである。
【００１２】凹面状反射面２２は、光透過性材料１８の一方の面上にメッキや金属蒸着等により鏡面加工したものであり、発光素子１２の発光面に対向する側に形成されている。ここで、凹面状反射面２２を発光素子１２の発光パターンにあわせた回転放物面に近い形状に形成し、その焦点に発光素子１２の発光面の中心を配置する。一方、放射面２４は、発光素子１２の背面側に形成されている。ここでは、放射面２４を凹面状反射面２２の中心軸（ｚ軸）に垂直な平面形状に形成し、又、放射面２４と発光素子１２の発光面とはほぼ平行とする。かかる発光ダイオード１０では、発光素子１２が発する光を、凹面状反射面２２の中心軸に対して平行な光として効率よく取り出し、有効に利用することができる。
【００１３】また、発光ダイオード１０は、凹面状反射面２２の端部がｘ軸に垂直な平面で左右対称に切断されている。これにより、凹面状反射面２２の切断面が隣り合うように発光ダイオード１０を同心円状に配列する場合、発光ダイオード１０の間隔を狭くすることができる。このように発光ダイオードを密に配列することにより、照射密度の向上を図ることができる。即ち、凹面状反射面２２の端部が切断されることによる損失は１０％未満であり、密に配列することによる効率の方が大きく、照射密度の向上を図ることができる。
【００１４】支持部２６は、発光ダイオード１０を平面状基板３０に取り付ける場合に、発光ダイオード１０を支持する役割を果たすものであり、放射面２４の周辺部に形成される。本実施形態では、凹面状反射面２２の端部を左右対称に切断しているので、支持部２６は図３に示すように、放射面２４の上下に形成されることになる。又、支持部２６の上端面２６ａは平面状に形成している。なお、発光ダイオード１０は密に配列するために、最終的にトリミングフォームカットされ、リード１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを裏面側（反射面２２側）に折り曲げた状態で結線される。
【００１５】かかる発光ダイオード１０を作製するにはトランスファーモールド法が用いられる。トランスファーモールド法の金型は、特に形状を重視する側を下金型としており、凹面状反射面２２が発光素子１２からの光を制御するので、凹面状反射面２２の側を下金型に放射面２４の側を上金型にする。このトランスファーモールド法を用いると、リードフレームを上金型と下金型とで挟み込んで光透過性材料をモールドするので、凹面状反射面２２，放射面２４及び支持部２６を精度よく成形できるだけでなく、リード１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと、凹面状反射面２２及び放射面２４との位置合わせを精度よく行うことができる。
【００１６】上記構成の発光ダイオード１０は、発光素子１２に電力が供給されると、発光素子１２が発光し、発光素子１２が発する光は凹面状反射面２２により反射され、放射面２４より外部に放射される。このように発光素子１２が発する光を一度、凹面状反射面２２で反射した後に外部に放射することにより、発光素子１２が発する光を有効に前方に放射することができる。
【００１７】平面状基板３０は、複数の発光ダイオードの電気的結線をするとともに所定の位置に所定の方向を向けて保持するためのものである。かかる発光ダイオード１０を用いて発光ダイオードを用いた光源を形成するには、複数の発光ダイオード１０を凹面状反射面２２の側から平面状基板３０に実装する。なお、各発光ダイオードを基板に取り付ける際、発光ダイオードのＸ軸方向の両端面は切断され、リードはＹ軸方向に引き出されているので、各発光ダイオードは基板上に反射面の切断面が隣り合うように同心円状に配列される。
【００１８】そして、平面状基板３０に複数の発光ダイオード１０を配列する側にフレネルレンズ４０を備えている。このフレネルレンズ４０は同心円状に配列された複数の発光ダイオードと他の同心円状に配列された複数の発光ダイオードとの間に段差部４１が形成された図２に示すようなものとしてある。これにより、照射点に集光させることが可能となり、フレネルレンズの段差部による効率低下が生じるものとはならない。なお、このような発光ダイオードを用いた光源を光ファイバ用光源として用いる場合、集光角度は光ファイバの開口数に対応して規定している。
【００１９】前記したように、反射型発光ダイオードは平行光を放射するように構成しても外部放射効率がよく、レンズ型発光ダイオードに比べて照度が大きくかつ均斉度も高い。また、量産性のよいものとするために、上下金型にリードを挟み込んでモールドするため、リードはＸＹ平面方向に引き出されるが、各発光ダイオードは基板上に反射面の切断面が隣り合うように同心円状に配列されているので、密に実装することができる。【００２０】又、反射型発光ダイオードは配光中心精度が高いので、平面状の基板に複数の反射型発光ダイオードを同一方向に配列するだけで、実装された発光ダイオード全体の放射特性をそろえることができる。そして、この基板にレンズを備えることにより、均斉度が高く、照射密度が高い照射特性が得られる。
【００２１】更に、レンズは肉厚になると樹脂成形時のひけが問題となるので、コンデンサレンズとしてフレネルレンズが最適である。フレネルレンズの場合、レンズ面が不連続となる段差部を前記のように、同心円状に配列された複数の発光ダイオードと他の同心円状に配列された複数の発光ダイオードとの間に段差部を形成することによって、金型抜き用のテーパをつけても、光学効率が特性が低下しないものとすることができる。
【００２２】なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変更が可能である。上記実施形態では、凹面状反射面の端部を左右対称に切断し凹面状反射面の切断面が隣り合うように発光ダイオードを環状に配列した場合について説明したが、発光ダイオードを密に配列する必要がない場合は、凹面状反射面の端部を切断しなくてもよい。又、光ファイバ用光源としては開口数の制約があるが、ＣＣＤ画像認識用光源では、このような制約はない。更に、発光ダイオードを用いた光源として複数色の組み合わせとしてもよく、赤，緑，青の発光色の発光ダイオードを組み合わせてもよい。これにより、白色の照射が可能となる。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、複数の反射型発光ダイオードを用い、ランプ製造の際の作業性がよく、量産向きであり、照射エリアにおいて高い照射密度が得られ、また均斉度が高くかつ外部放射効率が高いという優れた光学特性を有する発光ダイオードを用いた光源が得られる。

【出願人】	【識別番号】００００００１９２【氏名又は名称】岩崎電気株式会社
【出願日】	平成９年（１９９７）９月３０日
【代理人】
【公開番号】	特開平１１－１１１０３５
【公開日】	平成１１年（１９９９）４月２３日
【出願番号】	特願平９－２８１１３２