JP4720978B2 - 面状照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、サイドライト方式の面状照明装置に関し、特に、液晶表示装置の照明手段として用いられる面状照明装置に関するものである。

今日の電子機器の表示手段等には液晶表示装置が広く用いられているが、この液晶表示装置は自発光型ではないことから、夜間や暗所での視認性を確保するための照明手段が必要となる。かかる照明手段として、従来から、面状照明装置が用いられている。
また、面状照明装置の一形態として、サイドライト方式の面状照明装置が広く用いられている。サイドライト方式の面状照明装置は、透光性を有する導光板と、該導光板の側端面に配置された棒状光源もしくは１つないし複数の点状光源を基本要素として構成されている。そして、近年の傾向では、携帯情報端末等の小型の電子機器への応用例の増加から、駆動回路の簡略化を図ることが可能な点状光源を備える形式の面状照明装置が用いられている。図１１には、サイドライト方式の面状照明装置１０の、導光板１２と、導光板１２の側端面に配置された複数の点状光源（ＬＥＤ）１４とを模式的に示している。

ところで、図１１に示す点状光源１４を用いた面状照明装置１０は、ＬＥＤ１４から導光板１２へと照射される光が一定の指向性を持つために、ＬＥＤ１４によって照らされる導光板１２のＬＥＤ１４の近傍は、明部Ａと暗部Ｂとに明確に分かれてしまう。この明部と暗部との差を解消して平均的な明るさを得るための対策として、図１２に示すように、導光板１２のＬＥＤ１４との対向面１２ａに、微細なプリズム列等の光学的乱反射パターン１２ｂを設けたり、図１３に示すように、外装部材の一部が半円柱状の突出部１６ａとなったＬＥＤ１６を用い、かつ、導光板１２には、突出部１６ａと嵌合する半円筒状の凹部１２ｃを設け、突出部１６ａに形成したスリットから、ＬＥＤチップ１７の光を放射状に出射するもの（例えば、引用文献１参照。）、さらには、図１４に示すＬＥＤ１８のように、ＬＥＤチップ１９を覆うランプハウス２０を備え、ランプハウス２０の高さや、傾斜面２０ａの傾斜角度を変更することによって、光の指向性を制御するもの等が挙げられる（例えば、特許文献２参照。）。なお、図１４において、符号２２は、ランプハウス２０内にＬＥＤチップ１９を封止するための透光性樹脂である。

特開平１０−１９９３１６号公報（〔００２３〕、〔００２６〕〜〔００２８〕） 特開２００２−２１７４５９公報（〔請求項１〕、図１）

さて、上記のごときＬＥＤを用いた面状照明装置は、液晶表示装置の照明手段としての役割を担っていることから、更なる高輝度化、輝度の均一化を図りつつ、薄型化を促進することが常に求められている。この点、図１２に示すような前方発光面がフラットな形式のＬＥＤ１４を用いた面状照明装置は、ＬＥＤ内部に封止されたＬＥＤチップから出射される光のうち、前方のフラット面で全反射される光線が多く、後述するように前方出射光量比が悪化することから（図５参照）、更なる高輝度化には限界が生じていた。また、図１３に示すような、半円柱状の突出部１６ａから光を出射する形式のＬＥＤ１６を用いた面状照明装置は、出射面で全反射される光線は減少するので、後述するように前方出射光量比は向上するが（図５参照）、その反面、レンズ効果によりＬＥＤの半値幅が狭まり（図５参照）、輝度の均一化を図ることが困難であるといった問題が生じていた。一方、図１４に示すように、ＬＥＤチップ１９を覆うランプハウス２０を備えたＬＥＤ１８を用いた面状照明装置は、ランプハウス２０の肉厚が、面状照明装置の薄型化を阻害する原因となっていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＬＥＤを用いた面状照明装置の、更なる高輝度化、輝度の均一化を図りつつ、薄型化を促進することにある。

上記課題を解決するための、本発明に係る面状照明装置は、板状の導光板と、該導光板の側端面に配置されるＬＥＤとを備える面状照明装置において、前記ＬＥＤはランプハウスを持たずＬＥＤチップを封止する透光性樹脂が露出しており、該透光性樹脂の外形が、該ＬＥＤの光出射方向前方へと前記導光板と直交する方向の厚み一定で突出する連続曲面で構成され、かつ、該連続曲面の半径でその突出高さを除した値が、０．３以上０．６以下の範囲となるように形成されていることを特徴とするものである。
本発明によれば、ＬＥＤはランプハウスを持たずＬＥＤチップを封止する透光性樹脂が露出していることで、ランプハウス分の厚みの増加が生じず、面状照明装置の薄型化が促進されることとなる。しかも、透光性樹脂の外形が上記所定の形状を有することで、面状照明装置の高輝度化に寄与するＬＥＤの前方出射光量比と、面状照明装置の輝度の均一化に寄与するＬＥＤの出射光の角度とを、高い次元でバランスさせることが可能となる。

また、本発明においては、前記透光性樹脂は、前記ＬＥＤチップの周囲を封止する蛍光体を混入した層と、その周囲を覆う透明樹脂層とを有し、該透明樹脂層に前記連続曲面が形成されており、前記ＬＥＤチップの青色発光の一部が前記蛍光体を混入した層の蛍光体に吸収され、前記ＬＥＤチップの発光よりも長波長に変換されて、前記ＬＥＤチップの青色発光との混色を生じることにより、前記ＬＥＤは擬似的に白色発光するものであることが望ましい。
また、本発明において、より好ましくは、前記連続曲面の半径でその突出高さを除した値が、０．４以上０．５以下の範囲となるように形成されているものである。この範囲とすることで、面状照明装置の更なる高輝度化と、輝度の均一化とを実現するために、半値幅θおよび前方出射光量比ξをより高いレベルでバランスさせるものとなる。
また、本発明においては、前記連続曲面で構成される突出部の半径が、前記ＬＥＤチップを前記導光板と直交する方向に投影した場合の長さに１．５を乗じた値以上となるように形成されていることが望ましい。
本発明によれば、透光性樹脂の外形が上記所定の形状を備えつつ、ＬＥＤチップが透光性樹脂内に完全に封止されたものとなる。

また、前記導光板の、前記ＬＥＤと対向する側端面に、前記突出部の外形に倣った切欠き部が形成されていることとすれば、上記所定の外形形状を有するＬＥＤの透光性樹脂と導光板とが密着し、ＬＥＤから導光板へと入光した光の発光分布を、ＬＥＤ単体での光の発光分布と同等にすることが可能となり、面状照明装置の輝度の均一化に寄与することとなる。

一方、前記連続曲面で構成された突出部が、前記導光板の側端面と平行な方向に長く前記導光板と直交する方向に短い、直方体状の透光性樹脂からなる基部と一体に形成されており、前記突出部の突出高さは、当該基部からの突出高さであることとしてもよい。
この場合には、前記導光板の、前記ＬＥＤと対向する側端面に、前記突出部および前記基部の外形に倣った切欠き部が形成されていることとすれば、透光性樹脂の突出部と基部との双方が導光板と密着し、ＬＥＤから導光板への入光した光の発光分布を、ＬＥＤ単体での光の発光分布と同等にすることが可能となり、面状照明装置の輝度の均一化に寄与することとなる。また、突出部からの出射光のみならず基部からの出射光も、導光板へと入光させ、面状照明装置の高輝度化に寄与することができる。

さらに、前記ＬＥＤの前記導光板と平行な方向の側面に沿って、反射板が配置されていることによって、ＬＥＤの正面以外から出射される漏れ光の多くを、導光板へと導くことが可能となる。

本発明はこのように構成したので、ＬＥＤを用いた面状照明装置の、更なる高輝度化、輝度の均一化を図りつつ、薄型化を促進することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、従来技術と同一部分、若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
本発明の実施の形態に係る面状照明装置は、図１１に示す従来の面状照明装置と同様に、板状の導光板と、該導光板の側端面に配置されるＬＥＤとを備えるものである。そして、使用されるＬＥＤ２４は、図１から図３に示すようにランプハウスを持たず、ＬＥＤチップ２５を封止する透光性樹脂２６が露出した構造を有している。また、透光性樹脂２６の外形が、ＬＥＤ２４の光出射方向前方へと突出する連続曲面で構成された突出部２８を有している。また、図示の例では、突出部２８は、導光板と平行な方向（図１１に示す導光板１２の紙面と平行な方向。）に長く、導光板と直交する方向（図１１に示す導光板１２の紙面と直交する方向。）に短い、直方体状の透光性樹脂からなる基部２９と一体に形成されている。
さらに、突出部２８を構成する連続曲面は、図示の例では一定の半径Ｒを有している。そして、突出部２８の突出高さ（基部２９からの突出高さ）をＨとしたとき、０．３≦Ｈ／Ｒ≦０．６の範囲、より好ましくは０．４≦Ｈ／Ｒ≦０．５の範囲となるように形成されている。また、突出部２８の半径が、ＬＥＤチップ２５を導光板と直交する方向に投影した場合の長さ（ＬＥＤ２４の長手方向と平行な方向の長さであり、図１、図３に符号Ｘで示す。）に１．５を乗じた値以上（１．５Ｘ≦Ｒ）となるように形成されている。

ＬＥＤ２４の、より詳細な構造として、透光性樹脂２６は、ＬＥＤチップ２５の周囲が、図２、図３に示すように、硬質シリコーン系樹脂中に黄色発光の蛍光体であるセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）微粒子を混入した層３０で封止され、さらにその周囲（上層）に透明の硬質シリコーン系樹脂層３２が付加された構造を有している。したがって、図示の例では、透明の硬質シリコーン系樹脂層３２に突出部２８が形成されている。また、ＬＥＤチップ２５は、図４に示すように、サファイヤ基板２５ａ上に、ＧａＮ、ＧａＡＩＮ等の窒化物系化合物半導体の積層からなる発光層２５ｂが形成されたもの（青色発光の素子）が用いられている。そして、ＬＥＤチップ２５は、図３に示すように、電極部を有する基板（ＰＣＢ）３４上に接着され、ＬＥＤチップ２５上に形成されたアノード、カソード電極と基板３４上の配線パターンとが、φ２０μｍの金線で接続された構造を有している。なお、図２〜図４には、ＬＥＤ２４およびＬＥＤチップ２５の具体的寸法例を示している（単位はｍｍ）。

以上の構造を有するＬＥＤ２４は、ＬＥＤチップ２５の青色発光の一部がＹＡＧ微粒子混入層３０のＹＡＧ微粒子（蛍光体）に吸収され、ＬＥＤチップ２５の発光よりも長波長に変換されて、ＬＥＤチップ２５の青色発光との混色を生じることにより、擬似的に白色発光するものである。なお、透光性樹脂２６のＹＡＧ微粒子混入層３０は、図２、図３に示すように、透明層３２と完全に２層に分離した構成に限らず、少なくとも青色発光ＬＥＤチップ２５の周囲にのみＹＡＧ微粒子混入層３０が形成され、その周囲が全て透明層３２で覆われている構造を採用することも可能である。
また、透光性樹脂２６は、耐熱性を有する透明樹脂であれば良く、前記硬質シリコーン系樹脂の他にも、例えば、透明エポキシ樹脂等の熱硬化性の透明樹脂が適用可能である。また、高耐熱性の熱可塑性樹脂や、ガラス等の無機系材料も、必要に応じ適用可能である。

図５は、本発明の実施の形態に係る面状照明装置に用いられるＬＥＤ２４の、Ｈ／Ｒの値を種々に変化させることによる、ＬＥＤの出射光の角度を示す半値幅θと、前方出射光量比ξとの変化を図表にまとめたものである。また、図６は、図５の値に基くグラフである。なお、「半値幅θ」は、図７に示すように、出射光の出射強度のピーク値Ｐ（通常は、ＬＥＤ２４の正面方向であるθ＝０°の近傍に現れる。）の半分の出射強度１／２Ｐが得られるときの出射光の角度を「半値幅」と称し、出射光分布の指標として一般的に用いられる値である。図７は、Ｒ＝０．９ｍｍ、Ｈ＝０．４ｍｍ、Ｈ／Ｒ＝０．４４であるＬＥＤの、半値幅θを例示したものである。
また、「前方出射光量比ξ」は、ＬＥＤから出射される全方向の光のうち、ＬＥＤよりも前方（上下の空間も含まれる）に出射される、面状照明装置の高輝度化に貢献する光と、ＬＥＤよりも後方（上下の空間も含まれる）に出射される、面状照明装置の高輝度化に貢献しない光とに分類した場合の、前者の比率を表す値である。

これらの具体的数値例から明らかなように、０．３≦Ｈ／Ｒ≦０．６の範囲では、半値幅θ、前方出射光量比ξ共に十分に良好な値が得られている。また、面状照明装置の更なる高輝度化と、輝度の均一化とを実現するために、半値幅θおよび前方出射光量比ξをより高いレベルでバランスさせるためには、０．４≦Ｈ／Ｒ≦０．５の範囲とすることが望ましい。なお、Ｈ／Ｒ＝０（図１２に示すような、前方発光面がフラットな形式のＬＥＤ１４）では、前方出射光量比ξの値が最低レベルまで低下しており、面状照明装置の高輝度化が困難であることが理解される。また、Ｈ／Ｒ＝１（図１３に示すような、半円柱状の突出部１６ａから光を出射する形式のＬＥＤ１６）では、半値幅θの値の低下が著しく、面状照明装置の輝度の均一化が困難であることが理解される。

なお、本発明の実施の形態に係る面状照明装置では、図８に示すように、導光板１２の、ＬＥＤ２４と対向する側端面１２ａに、突出部２８の外形に倣った切欠き部１２ｄを形成し、切欠き部１２ｄにＬＥＤ２４の突出部２８を嵌合させることとしても良く、また、図９（ａ）に示すように、導光板１２の、ＬＥＤ２４と対向する側端面１２ａに、ＬＥＤ２４の突出部２８および基部２９の外形に倣った切欠き部１２ｅを形成し、図９（ｂ）に示すように、切欠き部１２ｅに、ＬＥＤ２４の突出部２８および基部２９を嵌合させることとしても良い。

さらには、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、ＬＥＤ２４の導光板１２と平行な方向の側面２４ａ、２４ｂ（図１０の例では、上下面）に沿って、反射板３６を配置することとしても良い。反射板３６としては、薄い樹脂基板上に、アルミニウム、銀等の高反射率の金属薄膜を形成した反射板が、薄さと反射特性の面で好適であるが、薄い樹脂基材上に、白色または乳白色の塗料を塗布することにより構成された光反射率の高い反射板、白色顔料を混入した樹脂からなる白色樹脂板、アルミニウム、銀等の高反射率の金属薄板等を用いることもできる。また、その厚みを１００μｍ以下に抑えることで、バックライト全体の厚みを極力抑えることが可能となる。また、反射板３６の形状は、生産性を考慮すれば、図示のごとくＬＥＤ２４の全体を完全に覆うことが可能な矩形であることが望ましいが、例えば、ＬＥＤ２４の突出部２８のみ覆う形状とすることで、必要な効果を得ることができる。

上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能となる。まず、面状照明装置を構成するＬＥＤ２４は、ランプハウスを持たず、ＬＥＤチップ２５を封止する透光性樹脂２６が露出していることで、ランプハウス分の厚みの増加が生じないことから、面状照明装置の薄型化が促進されることとなる。しかも、透光性樹脂の外形が０．３≦Ｈ／Ｒ≦０．６を満たす形状を有することで、面状照明装置の高輝度化に寄与するＬＥＤの前方出射光量比ξと、面状照明装置の輝度の均一化に寄与するＬＥＤの半値幅θとを、高い次元でバランスさせることが可能となる。

また、ＬＥＤ２４の突出部２８の半径Ｒが、１．５Ｘ≦Ｒとなるように形成されていることで、ＬＥＤチップ２５が透光性樹脂２６から露出することなく、透光性樹脂２６内に完全に封止されたものとなる。よって、ＬＥＤ２４の歩留まりを確実に高め、面状照明装置のコストを低減させることができる。
また、導光板１２の、ＬＥＤ２４と対向する側端面１２ａに、突出部２８の外形に倣った切欠き部１２ｄが形成されていることとすれば、ＬＥＤ２４の透光性樹脂２６と導光板１２とが密着し、ＬＥＤ２４から導光板へと入光した光の発光分布を、ＬＥＤ単体での光の発光分布と同等にすることが可能となり、面状照明装置の輝度の均一化に、寄与することが可能となる。さらに、導光板１２の、ＬＥＤ２４と対向する側端面１２ａに、突出部２８および基部２９の外形に倣った切欠き部１２ｅが形成されていることとすれば、透光性樹脂２６の突出部２８と基部２９との双方が導光板１２と密着し、突出部２８からの出射光のみならず基部２９からの出射光も導光板１２へと入光することとなるので、より一層の、面状照明装置の輝度の均一化と高輝度化とに寄与することが可能となる。

なお、図１〜図３、図８〜図１０に示したＬＥＤ２４は、突出部２８が基部２９と一体に形成された形状を有しているが、かかる形状は、複数のＬＥＤ２４を前後左右に一体成形した後に、各ＬＥＤ２４単体へと切出す製造工程を採用する際に、基部２９が各ＬＥＤへの樹脂の供給路として機能するものである。よって、基部２９を有するＬＥＤ形状は、ＬＥＤ２４の生産効率を向上させる上で好ましいものである。一方、基部２９は、面状照明装置の高輝度化、輝度の均一化における貢献度は、突出部２８に対し比較的小さいことから、ＬＥＤ２４の透光性樹脂２６の外形を、突出部２８のみからなるものとしても、上述と同様の効果を得ることが可能である。なお、図１に示すように、ＬＥＤ２４は、突出部２８を構成する連続曲面の基端部と、ＬＥＤチップ２５の上端面とがほぼ一致するように構成されており、基部２９を有する場合の、突出部２８の突出高さＨは、基部２９からの突出高さとなる。一方、基部２９を有さない場合の、突出部２８の突出高さＨは、ＬＥＤチップ２５の上端面（図１参照）からの突出高さとなる。
また、ＬＥＤ２４の突出部２８を構成する連続曲面は、図示のごとく一定の半径Ｒを有していることが、生産性の観点からは好ましいが、例えば、突出部２８の頂部から基部２９に向けて、半径Ｒを徐変させることとしても上記作用効果を得ることが可能となる。

さらに、ＬＥＤ２４の導光板１２と平行な方向の側面２４ａ、２４ｂに沿って、反射板３６が配置されていることによって、ＬＥＤ２４の正面以外から出射される漏れ光の多くを導光板１２へと導くことが可能となることから、上述の効果をより一層顕著なものとすることが可能となる。
なお、本発明の実施の形態に係る面状照明装置は、いわゆるバックライトにもフロントライトにも適用可能である。

本発明の実施の形態に係る面状照明装置の、ＬＥＤのＬＥＤチップを封止する透光性樹脂の外形を示す模式図である。 図１に示すＬＥＤの具体的構造例を示す外観斜視図である。 図１に示すＬＥＤの具体的構造例を示す断面図である。 図１に示すＬＥＤの内部に封止されたＬＥＤチップを示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 出射光の角度を示す半値幅θと、前方出射光量比ξとをまとめた図表である。 図５の値に基くグラフである。 図５、図６の半値幅について説明する解説図である。 本発明の実施の形態に係る面状照明装置の、導光板の、ＬＥＤと対向する側端面に、ＬＥＤの突出部の外形に倣った切欠き部を形成した例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る面状照明装置の、導光板の、ＬＥＤと対向する側端面に、ＬＥＤの突出部および基部の外形に倣った切欠き部を形成した例を示す斜視図であり、（ａ）は分解図、（ｂ）は結合図である。 本発明の実施の形態に係る面状照明装置の、ＬＥＤの導光板と平行な方向の側面に沿って、反射板を配置した例を示す斜視図であり、（ａ）は分解図、（ｂ）は結合図である。 従来のＬＥＤを用いた面状照明装置の基本構成を示す平面図である。 従来の、平均的な明るさを得るための対策が施された面状照明装置を示す平面図である。 従来の、平均的な明るさを得るための対策が施された面状照明装置を示す平面図である。 従来の、平均的な明るさを得るための対策が施されたＬＥＤを示す平面図である。

１０：面状照明装置、１２：導光板、１２ａ：ＬＥＤと対向する側端面、２４：ＬＥＤ、 ２４ａ、２４ｂ：導光板と平行な方向の側面、２５：ＬＥＤチップ、２６：透光性樹脂、２８：突出部、２９：基部、３０：ＹＡＧ微粒子混入層、３２：透明層、３６：反射板

Claims (8)

1. 板状の導光板と、該導光板の側端面に配置されるＬＥＤとを備える面状照明装置において、ＬＥＤはランプハウスを持たずＬＥＤチップを封止する透光性樹脂が露出しており、該透光性樹脂の外形が、該ＬＥＤの光出射方向前方へと前記導光板と直交する方向の厚み一定で突出する連続曲面で構成され、かつ、該連続曲面の半径でその突出高さを除した値が、０．３以上０．６以下の範囲となるように形成されていることを特徴とする面状照明装置。
2. 前記透光性樹脂は、前記ＬＥＤチップの周囲を封止する蛍光体を混入した層と、その周囲を覆う透明樹脂層とを有し、該透明樹脂層に前記連続曲面が形成されており、
   前記ＬＥＤチップの青色発光の一部が前記蛍光体を混入した層の蛍光体に吸収され、前記ＬＥＤチップの発光よりも長波長に変換されて、前記ＬＥＤチップの青色発光との混色を生じることにより、前記ＬＥＤは擬似的に白色発光するものであることを特徴とする請求項１記載の面状照明装置。
3. 前記連続曲面の半径でその突出高さを除した値が、０．４以上０．５以下の範囲となるように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の面状照明装置。
4. 前記連続曲面で構成される突出部の半径が、前記ＬＥＤチップを前記導光板と直交する方向に投影した場合の長さに１．５を乗じた値以上となるように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の面状照明装置。
5. 前記導光板の、前記ＬＥＤと対向する側端面に、前記突出部の外形に倣った切欠き部が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の面状照明装置。
6. 前記連続曲面で構成された突出部が、前記導光板の側端面と平行な方向に長く前記導光板と直交する方向に短い、直方体状の透光性樹脂からなる基部と一体に形成されており、前記突出部の突出高さは、当該基部からの突出高さであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の面状照明装置。
7. 前記導光板の、前記ＬＥＤと対向する側端面に、前記突出部および前記基部の外形に倣った切欠き部が形成されていることを特徴とする請求項６記載の面状照明装置。
8. 前記ＬＥＤの前記導光板と平行な方向の側面に沿って、反射板が配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の面状照明装置。

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