JP2004053665A - 面状光源及びその成形金型の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】輝度むらをさらに抑圧できて、さらに均一な輝度分布を得ることができるようにした面状光源を提供する。
【解決手段】導光板3の1つの端面を入射端面3aとし、その中央部に光源チップ2を配置して、その位置から導光板3内に光を入光させる。導光板3の出射面3bとは反対側の面には、この光源チップ2の発光面2aの中心点Soを中心として、同心状に複数の円弧状をなしたプリズム4が設けられている。これらプリズム4は、導光板3の端面から端面まで連続したものとなっている。また、これらプリズム4は、導光板3の奥行き方向(即ち、中心点Soからの距離Lの方向)そのピッチPが一定であるが、出射面3bに平行な仮想平面3cからのその深さDは、距離Lの増加とともに、大きくなっている。
【選択図】 図1
【解決手段】導光板3の1つの端面を入射端面3aとし、その中央部に光源チップ2を配置して、その位置から導光板3内に光を入光させる。導光板3の出射面3bとは反対側の面には、この光源チップ2の発光面2aの中心点Soを中心として、同心状に複数の円弧状をなしたプリズム4が設けられている。これらプリズム4は、導光板3の端面から端面まで連続したものとなっている。また、これらプリズム4は、導光板3の奥行き方向(即ち、中心点Soからの距離Lの方向)そのピッチPが一定であるが、出射面3bに平行な仮想平面3cからのその深さDは、距離Lの増加とともに、大きくなっている。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、小型の液晶表示パネルに用いられる照明装置などに係り、特に、液晶表示パネルをその背面側から光照射するバックライトや液晶表示パネルを前面側から光照射するフロントライトなどの面状光源とその成形金型の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報通信の高速化やIT化に伴い、比較的小型の携帯情報端末が民生向け商品として急速に市場に浸透しつつある。その代表的なものに携帯電話やPDA(Personal Digital Assistant)、スマートフォンがあり、これら携帯情報端末の基幹デバイスとして液晶表示装置が使われる。その中でも、カラー表示可能なSTN(Super Twisted Nematic)型液晶、TFT(Thin Film Transistor)型液晶、TFD(Thin Film Diode)型液晶が従来の主流であったモノクロ液晶に急速に置き換わりつつあり、より高精細で小型、省電力、低コストなものが求められている。
【0003】
液晶表示装置自身は発光性を持たないために、バックライト或いはフロントライトと呼ばれる照明ユニットが付属され、これによって初めて色表示が可能となる。バックライトは透過型或いは半透過型液晶に用いられ、文字通り液晶の背面側から照射することにより、その照明光が液晶内のカラーフィルタを透過し、色表示が可能となる。また、フロントライトは反射型液晶に用いられ、液晶表示装置の前面側から照射することによって、液晶内の反射電極前面に設けられたカラーフィルタを透過し、色表示が可能となる。
【0004】
これらの照明ユニットは、一般に、導光板と呼ばれる透明プラスチック製の面状発光体を冷陰極蛍光管やLED(発光ダイオード)などを用いて照射する構造をなしている。特に、携帯電話やPDAでは、屋外で使うモバイルユースとして低消費電力化も然ることながら、通信時の電気ノイズの問題からLEDが主として使われる傾向にある。このLEDは、液晶カラー表示の色演出性や表示品位を損ねないようにするために、白色のものが使われる。従来、赤色、緑色、青色の、所謂RGB3原色のLEDを組み合わせて白色を発光させていたが、最近では、日亜化学工業社製に代表されるGaN系青色LED素子から発する青色光をパッケージに塗布したYAG系蛍光体に照射させて、1つのチップから白色光を得ることが可能とされる。
【0005】
一般に、携帯電話では、対角長が2インチ前後の液晶が搭載され、これに対応して、表示パネル用照明ユニットの導光板も略同サイズとなり、これに使われるLEDは2個から、多いものでは、4個となる。また、PDAには、対角長が3〜4インチサイズの液晶が搭載され、同様に、これに対応して表示パネル用照明ユニットの導光板も略同サイズとなり、使用されるLEDは4個から、多いものでは、6個となる。
【0006】
液晶表示パネルの高精細化に伴って、照明ユニットから照射される光の透過する部分の面積、即ち、開口率は狭まり、これに対応してバックライト、フロントライトとも年々高輝度化が求められている。このため、照明ユニット側の光利用効率を向上させる目的で、導光板のプリズム形状や光源配置など様々な工夫がなされている。
【0007】
LEDから発する光の導光板への入射方法としては、LEDの発光面を導光板の端面に向けて配置し、直接導光板へ入射する方法が多用されるが、構造がシンプルである反面、導光板内での輝度むらが発生し易いという問題を抱えている。
【0008】
このような問題を解消するものとして、特許第3151830号公報(以下、公知文献という)において、導光板の下面に形成する拡散パターン素子の配置を考慮し、その上面の光出射面からの出射光量の分布、即ち、輝度分布を均一にするようにした面状光源が提案されている。
【0009】
これは、拡散パターン素子を、底面が長方形状をなして(なお、その長辺に沿う方向を拡散パターン素子の長手方向とする)、この底面に垂直な方向の断面形状が半円をつぶしたような形状、直角三角形や二等辺三角形としたもの、あるいは三角錐状にしたもの(従って、底面は三角形状)であり、かかる拡散パターン素子を所定の配置分布とするものである。その配置分布としては、公知文献での第19図に示される拡散パターン素子の密度と光出光面での出光率との関係と、この関係を満たす第21図に示される点光源からの距離に対する拡散パターン素子の密度との関係から、LEDなどの点光源に対し、複数の同心円上に配置し(即ち、同じ列の拡散パターン素子の配列方向は、点光源を中心とする同じ円上となる)、かつこの点光源から遠ざかるほど拡散パターン素子の密度が大きくなるようにする。この場合、各拡散パターン素子は、公知文献の第12図に示されるような拡散パターン素子での光の入射角と光出射面での出射率との関係から、その長さ方向が点光源からの放射線に対してほぼ90゜となるようにし、各拡散パターン素子の面が点光源の方向を向くようにしている。
【0010】
具体的には、一例として、上記のように、拡散パターン素子の配列方向と密度とが規定されるが、引用文献の第9図に示されるように、狭い範囲で見ると、拡散パターン素子の配列がランダムになっているものである。他の例としては、引用文献の第23図に示されるように、点光源からの放射線方向に拡散パターン素子を配列するようにするものである。この場合、点光源から遠い拡散パターン素子ほど、その長さが長くなるようにする。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公知文献に記載の面状光源によると、拡散パターン素子はその長さ方向に有限の長さを持つものであり、これら拡散パターン素子が点光源を中心とする円周状に配列されるとしても、その円周方向(拡散パターン素子の長さ方向)では、拡散パターン素子が不連続に配列されているものであるから、拡散パターン素子が配置されていない拡散パターン素子間の平坦なスペースが存在することになり、このスペースでは、拡散パターン素子とは異なる作用をすることになる。特に、点光源に近い領域では、拡散パターン素子の密度が低いために、かかるスペースの占める割合が大きくなり、しかも、出光面に反射される光量はかかるスペースの部分と拡散パターン素子とで異なるものであるから、出射面を部分的に見ると、輝度分布が不均一であって輝度むらが生ずることになる。
【0012】
また、上記引用文献に記載の面状光源では、光源を点光源としていても、有限の発光面を持つものであるから、幅方向ばかりでなく、高さ方向の範囲でも光を出射しているが、各拡散パターン素子の高さを等しくしているため、導光板での点光源から離れた拡散パターン素子ほど、出射面からの反射光に対しては有効であるが、点光源からの光に作用しないものとなる。このため、このような光源からの光には有効なものとなっておらず、この点からも点光源側とその反対側とで輝度分布に違いが生ずることになる。
【0013】
本発明の目的は、かかる問題を解消し、輝度むらをさらに抑圧できて、さらに均一な輝度分布を得ることができるようにした面状光源を提供することにある。
【0014】
また、上記公知文献に記載の面状光源では、有限の長さの拡散パターン素子が数多く導光板の下面に形成することが必要であり、なおかつ配置密度も考慮して拡散パターン素子を形成する必要があるから、その作成に非常に手間のかかるものとなっている。
【0015】
本発明の他の目的は、導光板での拡散素子としてのプリズムを容易に作成することを可能とした面状光源用の成形金型の製造方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、光源チップと略正方形若しくは略長方形をなす導光板とからなり、導光板は光源チップからの光を入光する光入射部と光入射部から入光された光を反射、偏向させるプリズム面とプリズム面に対向して光を外部に出光する出射面とを有する面状光源であって、プリズム面は、断面形状が鋸刃状をなす複数のプリズムからなり、複数のプリズムは夫々、光源チップの発光面の略中央点を中心とする導光板の端面から端面まで連続した円弧状をなして、かつ同心円状に形成されてなり、複数のプリズムの円弧状をなす稜線は全て、出射面に平行、若しくは出射面に対して1.5°以下の傾きを持った仮想平面上にあって、プリズムの仮想平面からの深さが、光源チップの発光面から遠ざかるほど、深くなることとしたものである。
【0017】
また、光入射部は、導光板の4つの端面のうちの1つの端面の中央部に設けたものである。
【0018】
あるいは、光入射部は、導光板の4つの端面のうちの隣り合う2つの端面の角部に設けたものである。
【0019】
また、プリズムは夫々等ピッチで形成され、プリズム稜線を基準として、光入射部側の仮想平面に対する第1の傾斜角が、光源チップの発光面から遠ざかるにつれて、大きくなる形状をなし、第1の傾斜角とは反対側の仮想平面に対する第2の傾斜角を一定としたものである。
【0020】
あるいは、プリズムは夫々等ピッチで形成され、プリズム稜線を基準として、光入射部側の仮想平面に対する第1の傾斜角が、光源チップの発光面から遠ざかるにつれて、大きくなり、第1の傾斜角とは反対側の仮想平面に対する第2の傾斜角が、光源チップの発光面から遠ざかるにつれて、小さくなり、かつ第1の傾斜角と第2の傾斜角との和が一定となる形状をなしているものである。
【0021】
また、光入射部は、光源チップの発光面に対向して設けられたくぼみ部と、くぼみ部の奥面に設けられた複数のV字プリズムとからなり、このくぼみ部のくぼみ量を0.05〜0.5mmとしたものである。
【0022】
あるいは、V字プリズムの頂角を80°±10°、ピッチを0.05〜0.5mmとし、V字プリズム間の平坦部の幅をこのV字プリズムのピッチの10〜50%の比率に設定したものである。
【0023】
さらには、そのV字プリズム表面に面粗さRt5〜50μmの範囲の凹凸シボ加工を施したものである。
【0024】
上記目的を達成するために、本発明は、上記の面状光源用の成形金型の製造方法であって、導光板の平面形状と略同形状に外形加工された成形用駒と成形用駒を嵌め込む孔部、若しくは凹部を備えた円形ブロック状、若しくは角形ブロック状のダミー駒とを用い、成形用駒とダミー駒との表面にNi鍍金、Ni合金鍍金、Cu鍍金、Cu合金鍍金のいずれかの鍍金層を形成して、成形用駒をダミー駒の孔部、若しくは凹部に嵌め込む第1の工程と、成形用駒が孔部、若しくは凹部に嵌め込まれたダミー駒を回転させ、切削バイトにより、ダミー駒と成形用駒との鍍金層に同時に複数の環状のプリズムパターンを同心円状に形成する第2の工程と、第2の工程によってプリズムパターンが形成されたダミー駒の該孔部、若しくは凹部から成形用駒をはずす第3の工程とからなり、第3の工程によって得られた成形用駒を用いて面状光源用の成形金型を製造するものである。
【0025】
あるいは、円形ブロック状、若しくは角形ブロック状の母材の表面にNi鍍金、Ni合金鍍金、Cu鍍金、Cu合金鍍金のいずれかの鍍金層を形成して、母材を回転させて、切削バイトにより、母材の鍍金層に複数の環状のプリズムパターンを同心円状に形成し、プリズムパターンが形成された母材の一部を切り取って成形用駒とし、この成形用駒を用いて面状光源の導光板の成形金型を製造するものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
図1は本発明による面状光源の第1の実施形態を示すものであって、同図(a)は平面図、同図(b)は同図(a)の対称軸線Sに平行な分断線に沿う断面図であり、1はこの第1の実施形態の面状光源、2は光源チップ、2aは発光面、3は導光板、3aは入射端面、3bは出射面、3cは仮想平面、4はプリズム、4aはプリズム面、4bはその稜線、4cはプリズム4間の谷部である。
【0027】
図1(a)において、面状光源1は、平面形状が略正方形若しくは略長方形をなす平板状の導光板3とLEDなどの光源チップ2とから構成されており、この導光板3の1つの端面を入射端面3aとし、この入射端面3aの中央部に光源チップ2が設けられている。光源チップ2の発光面2aは導光板3の入射端面3aに対向しており、光源チップ2の発光面2aから出光される光は、この入射端面3aから導光板3内に入光される。
【0028】
ここで、導光板3の入射端面3aの中心を通り、かつこの入射端面3aに垂直な直線を対称軸線Sとする。面状光源1は、この対称軸線Sに関して、左右対称の構成をなしている。
【0029】
導光板3には、この対称軸線Sに沿って複数のプリズム4が同心円状に形成されている。即ち、これらプリズム4は夫々、光源チップ2の発光面2aのほぼ中心点(対称軸線Sがこれを通る)を中心点Soとし、この中心点Soを共通中心とした円弧状の連続した形状をなしており、これらプリズム4の両側の端部はいずれも導光板3の端面にほぼ達している。従って、両端部が導光板3のほぼ入射端面3aにある光源チップ2に近いプリズム4は、ほぼ半円状をなしている。
【0030】
図1(b)において、導光板3は、図面上その上側の面を出射面3bとしている。下側の面には、上記のプリズム4が鋸刃状の断面形状で形成されており、従って、この下側の面はこれらプリズム4によるプリズム面4aをなしている。これらプリズム4の頂部をなす稜線(プリズム稜線)4bが、図1(a)に示すように、円弧状をなしている。
【0031】
このように、各プリズム4が光源チップ2の発光面2aのほぼ中心点となる中心点Soを中心とした円弧状をなすことにより、光源チップ2からの全ての光は、その光路に垂直な線上に配置され、かつ発光点から等距離の面で反射、偏向することになる。即ち、中心点Soから等しい距離では、全ての光が同じ条件のもとで反射、偏向されることになる。
【0032】
各プリズム4の稜線4bは、導光板3の出射面3bとは反対側のこの出射面3bと平行、若しくは出射面3bに対して1.5°以下の傾きを持った仮想平面3c上にある。また、これらプリズム4の中心点Soからの距離方向のピッチPは一定である。ここで、各プリズム4の稜線4bは、基本的には、出射面3bに対して平行とするが、面状光源1を取り付ける機器に応じて傾きを持たせる場合もあり、1.5°以下の傾きであれば、特性的に支障はない。さらに、この仮想平面3cからプリズム4間の谷部4cまでの距離をプリズム4の深さDとするが、このプリズム4の深さDは光源チップ2の発光面2aでの中心点Soからの距離Lに応じて異なり、一例として、中心点Soから遠ざかるほど(即ち、距離Lが大きいほど)順次増大する。
【0033】
このプリズム4の深さDとしては、一例として、距離Lをパラメータとして、非線形の高次関数に応じて変化するものとし、他の例としては、距離Lの取り得る最大距離をLmとすると、中心点Soから(Lm/3)以下の位置を変曲点とし、例えばL<(Lm/3)の範囲とL≧(Lm/3)の範囲とで異なる非線形高次関数もしくは線形一次関数で変化し、かつこの変曲点でこれらの範囲の関数が連続するようにすることができる。
【0034】
図2は後者の具体例を示すものであって、ここでは、変曲点をL=10mmとし、この変曲点よりも距離Lが小さい範囲では、次の式(1)とし、この変曲点以上の距離Lの範囲では、次の式(2)としている。
【0035】
【数1】
このようにプリズムの深さDを距離Lに応じて変化させるのは、この距離Lに応じて出射光の光量の違いを補正するためであり、これを補正するように、上記の非線形高次関数や線形一次関数などの関数を選定するものである。
【0036】
また、プリズム4の仮想平面3cに対する傾斜角は、プリズム稜線4bを基準として、中心点So側の傾斜角(以下、内側プリズム角という)θ2とこれとは反対側のプリズム角(以下、外側プリズム角)θ1とがある。いずれにおいても、外側プリズム角θ1は、光源チップ2の発光面2aからの光を出射面3bに対してその法線方向に反射、偏向させ、出射面3bから出向させることがより望ましく、40゜から48゜の範囲内に設定され、さらに望ましくは42°から46°の範囲に設定することにより、法線方向の輝度を高めることができる。また、内側プリズム角θ2は、出射面3bで反射された光を再び出射面3bの方に反射、偏向させるために、極力平面(0°)に近い角度範囲、例えば、1゜から10゜の範囲内に設定される。ここで、内側プリズム角θ2は次の式(3)で求めることができる。
【0037】
【数2】
一例として、外側プリズム角θ1は、光源チップの発光面2aからの光を出射面3b側に反射、偏向させるために、中心点Soからの距離Lに関係なく一定とするが、内側プリズム角θ2は、プリズム4の深さDが中心点Soからの距離Lが大きくなるに従って深さを増すため、これに伴って同様に角度を増すようにする。また、他の例としては、θ1+θ2=一定とし、中心点Soからの距離Lが大きくなるに従ってプリズム4の深さDを増加させ、これに伴って内側プリズム角θ2を増加させ、外側プリズム角θ1を減少させるようにする。このようにすることにより、後述の導光板3の成形用駒でのプリズム加工の際、プリズム4の先端を中心に切削バイトを回転させることによって、プリズムの深さの可変加工を容易にするものである。
【0038】
かかる構成の面状光源1では、図1(b)において、破線で示すように、入射端面3aから入射された光源チップ2からの光は、出射面3bやプリズム面4aにその全反射の臨界角以上で入射される限り、この出射面3bとプリズム面4aとの間で反射が繰り返され、出射面3bやプリズム面4aで入射角がその全反射の臨界角よりも小さくなった光が出射面3bから、出射面3bの法線方向に出射される。
【0039】
なお、導光板3において、入射端面3aに対向する端面(即ち、入射端面3aの反対側の端面)、さらには、その両側の端面に、例えば、面粗さRt5〜50μmの凹凸シボ加工を施すことにより、これら端面で反射される光はこのシボ面によって拡散され、これら端面で光が導光板3内に均一な光量で反射されることになり、面状光源1としての光の利用率を高め、均一な輝度分布でかつ高い輝度が得られることになる。なお、この面粗さの定義はJIS−B0601規格に基づくものである。かかる面粗さの測定機としては、位相差法であるWYKO社製TOPO−2D・3D、非点収差法である東京精密社製Sufcom920A、原子間力顕微鏡であるDigital Instruments 社製Nano Scope 、触針式であるTencor社製P12EXなどを用いることができ、ここでは、一例として、Tencor社製P12EXを用いた。
【0040】
以上のように、この第1の実施形態では、各プリズム4を同心円状に配列した円弧状とすることにより、中心点Soから等距離の位置では、光源チップ2の発光面2aからの全ての光が同じ状態で反射、偏向されることになり、かつこれらプリズム4の深さDをこの中心点Soからの距離Lに応じて異ならせることにより、出射面3bでのこの距離Lに応じた出射光の光量の違いを補正することができて、導光板3の出射面3b全面から均一な光量で光を出光させることができる。この結果、面状光源として、全面にわたって均一な輝度分布が得られることになる。
【0041】
なお、図1では、導光板3の平面形状を長方形とし、その短い方の端面の1つを入射端面3aとして、これに光源チップ2を配置するようにしたが、長い方の端面の1つを入射端面3aとし、これに光源チップ2を配置するようにしてもよい。
【0042】
図3は図1における導光板3の入射端面3aでの光源チップ2との対向部分を示すものであって、同図(a)はその平面図、同図(b)は斜視図、同図(c)は同図(a)の拡大図である。これらの図面において、3dはくぼみ部、5は光入射部、6はV字プリズム、6aはその稜線、6bはV字プリズム6間の平面部であり、前出図面に対応する部分には同一符号を付けている。
【0043】
まず、図3(a)において、導光板3の入射端面3aの中央部に、対称軸線Sに関して対称となるように、くぼみ部3dを備えた光入射部5が形成されており、この光入射部5のくぼみ部3dに発光面2aが対向するようにして、光源チップ2が設けられている。そして、図3(b)に示すように、このくぼみ部3d内には、導光板3の厚さ方向に出射面3bから仮想平面3c(図1(b))にわたって連続した稜線6aを持つV字型のプリズム、即ち、V字プリズム6が複数形成されている。
【0044】
図3(c)を用いてさらに詳細に説明すると、光入射部5には、深さdのくぼみ部3dが形成されており、このくぼみ部3dの奥面に複数のV字プリズム6が形成されている。これらV字プリズム6は、このくぼみ部3dの奥面からV字状に突出した形状をなしており、これらV字プリズム6間は入射端面3aに平行な平面部6bをなしている。
【0045】
このくぼみ部3dの幅(V字プリズム6の配列方向の長さ)は、光源チップ2の発光面2aの幅よりも若干大きく設定されており、この発光面2aがくぼみ部3d内に配列されている全てのV字プリズム6と対向している。
【0046】
光源チップ2の発光面2aから出射した光は、光入射部5のくぼみ部3dから導光板3に入光されるが、このくぼみ部3d内のV字プリズム6により、拡散されて入光される。これにより、このくぼみ部3dから導光板3に入光した光は、このくぼみ部3dから導光板3の幅方向(入射端面3aに平行な方向)に広がるようにして入光されることになり、V字プリズム6を持つかかるくぼみ部3dが、設けられない場合に比べ、光量が均一となるようにして導光板3全体にわたり光が入光されることになる。また、光入射部5にくぼみ部3dを設けたことにより、発光面2aから斜め方向に出光される光もこのくぼみ部3dの壁面から導光板3に入光されるようになり、これにより、導光板3の入射端面3aの端部まで光が入光されることになって、導光板3の全面にわたってさらに輝度分布が均一なものとなる。このくぼみ部3dの深さdとしては、0.05〜0.5mmの範囲で設定され、そのくぼみ量が0.05mm未満であれば、V字プリズム6の中心近傍に光が集中し、前記した導光板3全体にわたり光が入光されることなく、入射端面3a部では左右の隅部が暗いものとなってしまう。また、上記くぼみ量が0.5mmを超えれば、無駄なスペースとなって、発光エリアに対して光源チップを含む寸法が大きくなってしまう。
【0047】
次に、V字プリズム6の形状としては頂角αが80゜±10゜、ピッチPvが0.05〜0.5mm、V字プリズム6間の平坦部6bの幅WがピッチPvの10〜50%の範囲で設定される。これらはフレネルの式に基づいて頂角α、ピッチPv、平坦部6bの幅Wの組み合わせで夫々最適化しており、1つでもその範囲を外れると、V字プリズム6の中心近傍に光が集中し、入射端面3a部で左右の隅部が暗いものとなってしまい、導光板3の輝度分布が不均一なものになってしまう。
【0048】
なお、V字プリズム6の表面に表面粗さRt5〜50μmの範囲の凹凸シボ加工を施すことにより、光源チップ2からの光をさらに効率的に拡散させて導光板3に入光することができる。
【0049】
図4(a)はこの第1の実施形態を液晶表示パネルの光源として用いた一具体例を示すものであって、この具体例では、導光板3の出射面3b側に偏光板8を設けた透過型液晶板7aを配置し、さらに、導光板3のプリズム面4a側に反射板9を配置したものであり、これにより導光板3に入光した光はプリズム面4a及び反射板9で漏れなく反射、偏向され、出射面3bから出光する。出射面3bから出光した光は偏光板8を介して液晶板7を照明するようにしたバックライト型の液晶表示パネルを構成することができる。
【0050】
図4(b)はこの第1の実施形態を液晶表示パネルの光源として用いた他の具体例を示すものであって、この具体例では、導光板3の出射面3b側に偏光板8を設けた反射型液晶板7bを配置したものであり、これにより、導光板3の出射面3bから出光した光が偏光板8を介して反射型液晶板7bを照明する。そして、この光は反射型液晶板7b内にある反射電極(図示せず)で反射され、再び導光板3を通るようにしたフロントライト型の液晶表示パネルを構成することができる。
【0051】
また、図4(c)はこの第1の実施形態を液晶表示パネルの光源として用いたさらに他の具体例を示すものであって、この具体例では、導光板3のプリズム面4a側に偏光板8を設けた透過型液晶板7aを配置し、導光板3の出射面3bに反射板9を配置したものであり(なお、反射板9を設ける代わりに、反射膜を面3bに形成するようにしてもよい)、これにより、導光板3の出射面3b側の反射板9で反射されてプリズム面4aから出光した光が偏光板8を介して透過型液晶板7aを照明するようにしたバックライト型の液晶表示パネルを構成することができる。
【0052】
図5は本発明による面状光源の第2の実施形態を示す平面図であって、図1に対応する部分には同一符号を付けて重複する説明を省略する。
【0053】
この第2の実施形態は、図5において、導光板3の2つの端面が隣り合う角部に光入射部5を設けたものである。この光入射部5も図3に示した構成をなしており、図3で説明したようにして、この光入射部5で光源チップ2から導光板3に光が入光される。また、第1の実施形態と同様、この場合、中心線Sは外形的に軸対称とはならないが、光入射部5の中央を通り、この光入射部5や光源チップ2の発光面2aに垂直な直線であり、この発光面2aでの中心線Sが通る位置の中心点So(図示せず)を中心とした同心状に、複数のプリズム4が設けられている。これらプリズム4も、導光板3の略端部から端部へわたって連続した円弧状をなしている。
【0054】
また、この第2の実施形態においても、各プリズム4に関し、第1の実施形態と同様、図1(b)を示す構成をなしている。この場合、光源チップ2が導光板3の角部に配置されていることから、光源チップ2から出光される光の平面方向の出射角が90°あれば、導光板3内を均一に照射することができるメリットがあるが、その反面、非対称であることから、液晶板に搭載し、液晶表示パネルとして用いた場合、視野的に左右、若しくは上下が非対称のものとなってしまう。
【0055】
以上のように、この第2の実施形態も、各プリズム4を同心円状に配列した円弧状とすることにより、中心点Soから等距離の位置では、光源チップ2の発光面2aからの全ての光が同じ状態で反射、偏向されることになり、かつこれらプリズム4の深さDをこの中心点Soからの距離Lに応じて異ならせることにより、出射面3bでのこの距離Lに応じた出射光の光量の違いを補正することができて、導光板3の全面から均一な光量で光を出光させることができる。この結果、面状光源として、全面にわたって均一な輝度分布が得られることになる。
【0056】
図6は図1に示した面状光源1における導光板3の成形金型の製造方法の一実施形態を示す工程図であり、10は成形用駒、10aはくぼみ部、11はダミー駒、11aは孔部、11bは突起部、12は切削バイト、13はプリズムパターン、14は鍍金層である。
【0057】
図6(a)において、この実施形態は、成形用駒10と外形が円形ブロック状のダミー駒11とを用い、成形用駒10にプリズムパターンを形成して導光板3の成形金型を製造するものである。成形用駒10は外形が目的とする導光板3の外形形状と略同形状に加工したものであり、また、ダミー駒11には、この成形用駒10ががたつきなくきちんと嵌め込まれる孔部11aが設けられている(なお、孔部11aの代わりに同様の凹部であってもよいが、以下では、孔部11aとして説明する)。この孔部11aは、ダミー駒11のほぼ中心点からほぼ外周にまで達している。成形駒10には、導光板3の光入射部5でのくぼみ部3dに相当するくぼみ部10aが設けられている。ダミー駒11の孔部11aには、このくぼみ部10aに嵌り込む突起部11bが設けられている。孔部11aの深さは成形用駒10の厚さに等しく、成形用駒10をこの孔部11aに嵌め込んだときには、成形用駒10の表面とダミー駒11の表面とが同一平面上にある。
【0058】
導光板3の成形金型(図示せず)を製造する場合、まず、成形用駒10をダミー駒11の孔部11aに嵌め込む前に、これら成形用駒10とダミー駒11との夫々の表面に、Ni鍍金、Ni合金鍍金、Cu鍍金、若しくはCu合金鍍金のいずれかの鍍金層14を厚さ100μmで形成し、成形用駒10をダミー駒11の孔部11aに嵌め込む。
【0059】
ここでの鍍金は電気鍍金、無電解鍍金のいずれでもよく、鍍金厚みとしては100μmから300μmまでが好ましく、鍍金厚みがこれ以下であれば、プリズム加工の際の基準面出しを含めた切削代が少なく、鍍金厚みが300μmを越える場合は、鍍金に時間がかかったり、不必要な鍍金を載せることになる。
【0060】
しかる後、図6(b)に示すように、ダミー駒11をその中心点を中心にして回転させ、単結晶ダイヤモンドバイトなどの切削バイト12を用いて成形用駒10とダミー駒11の鍍金層14に所望とするプリズムパターン13を形成する。この場合、このプリズムパターン13は、成形用駒10の鍍金層14に図1で説明したようなプリズム4が得られるように、加工されることになる。
【0061】
この加工が終了すると、図6(c)に示すように、ダミー駒11の孔部11aから成形用駒10が取り外される。このように加工されて得られる成形用駒10が、図6(d)に示すように、鍍金層14にプリズム4が形成された導光板3を射出成形するための、成形金型用の駒である。
【0062】
このようにして、旋盤加工によってプリズム4が容易にかつ高精度に形成された導光板3の成形金型を得ることができる。
【0063】
ここで、かかる成形金型を用いて射出成形するプラスチック材料、即ち、導光板3の材質としては、特に限定されないが、透過率や成形性の面からPMMA(ポリメタクリ酸メチル)、PC(ポリカーボネート)、PS(ポリスチレン)、COP(環状オレフィンポリマー)、COPとポリエチレンの共重合体であるCOC(環状オレフィンコポリマー)などが挙げられる。
【0064】
また、ダミー駒11としては、図6(e)に示すように、その外形が略正方形などの多角形ブロック状であってもよい。
【0065】
図7は図5に示した面状光源1における導光板3の製造方法の一実施形態の1工程を示す工程図であって、図6に対応する部分には同一符号を付けている。
【0066】
この実施形態も、図6に示した製造方法と同様であるが、ダミー駒11の孔部(または、凹部)11aを、その1つの角部がダミー駒11の回転中心に近接するように形成する。この実施形態においても、成形用駒10も、その1つの角部が、図5で説明したように、光入射部5をなすように既に加工されており、この角部が孔部11aの上記角部に嵌り込むことになる。
【0067】
これ以外は、図6に示した実施形態と同様であり、結局、図5に示した導光板3の成形金型を得ることができる。
【0068】
なお、図6及び図7に示した実施形態では、予めダミー駒11と成形用駒10とを用意し、成形用駒10はプリズム4を形成するばかりのものとしたが、本発明はこれのみに限るものではなく、図6及び図7に示すような孔部(または、凹部)11aを持たない円板状の母材の表面に上記の鍍金層を形成し、これに、図6(b)で説明したように、切削バイト12でプリズムパターン13を形成し、しかる後、図6(b)若しくは図7で成形用駒10として示す範囲を切り取り、外形加工することによって図6(b)に示す導光板3を成形する金型を得ることもできる。
【0069】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の面状光源によると、光源チップの発光面を中心とした同一円周上での光の反射、偏光状態を等しくし、かつこの発光面からの距離に応じてプリズムの深さを大きくして、この距離にかかわらず、この発光面からの光の反射、偏光作用をほぼ等しくしているので、出射面全体にわたっての輝度分布の均一性が大幅に向上する。
【0070】
また、本発明による面状光源の成形金型の製造方法によると、旋盤加工によってプリズム面を精度良く形成することが可能であり、面状光源の製造がより簡単なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による面状光源の第1の実施形態を示す図である。
【図2】図1(b)におけるプリズムの深さDの距離Lに応じた変化の一具体例を示す図である。
【図3】図1における導光板の光入射部の部分を示す図である。
【図4】図1に示す第1の実施形態を用いた液晶表示パネルの構成例を示す図である。
【図5】本発明による面状光源の第2の実施形態を示す平面図である。
【図6】本発明による面状光源の成形金型の製造方法の第1の実施形態を示す工程図である。
【図7】本発明による面状光源の成形金型の製造方法の第2の実施形態の1工程を示す平面図である。
【符号の説明】
1 面状光源
2 光源チップ
2a 発光面
3 導光板
3a 入射端面
3b 出射面
3c 仮想平面
4 プリズム
4a プリズム面
4b 稜線
4c 谷部
3d くぼみ部
5 光入射部
6 V字プリズム
6a 稜線
6b 平面部
7 液晶板
7a 透過型液晶板
7b 反射型液晶板
8 偏光板
9 反射板
10 成形駒
10a くぼみ部
11 ダミー駒
11a 孔部(凹部)
11b 突起部
12 切削バイト
13 プリズムパターン
14 鍍金層
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、小型の液晶表示パネルに用いられる照明装置などに係り、特に、液晶表示パネルをその背面側から光照射するバックライトや液晶表示パネルを前面側から光照射するフロントライトなどの面状光源とその成形金型の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報通信の高速化やIT化に伴い、比較的小型の携帯情報端末が民生向け商品として急速に市場に浸透しつつある。その代表的なものに携帯電話やPDA(Personal Digital Assistant)、スマートフォンがあり、これら携帯情報端末の基幹デバイスとして液晶表示装置が使われる。その中でも、カラー表示可能なSTN(Super Twisted Nematic)型液晶、TFT(Thin Film Transistor)型液晶、TFD(Thin Film Diode)型液晶が従来の主流であったモノクロ液晶に急速に置き換わりつつあり、より高精細で小型、省電力、低コストなものが求められている。
【0003】
液晶表示装置自身は発光性を持たないために、バックライト或いはフロントライトと呼ばれる照明ユニットが付属され、これによって初めて色表示が可能となる。バックライトは透過型或いは半透過型液晶に用いられ、文字通り液晶の背面側から照射することにより、その照明光が液晶内のカラーフィルタを透過し、色表示が可能となる。また、フロントライトは反射型液晶に用いられ、液晶表示装置の前面側から照射することによって、液晶内の反射電極前面に設けられたカラーフィルタを透過し、色表示が可能となる。
【0004】
これらの照明ユニットは、一般に、導光板と呼ばれる透明プラスチック製の面状発光体を冷陰極蛍光管やLED(発光ダイオード)などを用いて照射する構造をなしている。特に、携帯電話やPDAでは、屋外で使うモバイルユースとして低消費電力化も然ることながら、通信時の電気ノイズの問題からLEDが主として使われる傾向にある。このLEDは、液晶カラー表示の色演出性や表示品位を損ねないようにするために、白色のものが使われる。従来、赤色、緑色、青色の、所謂RGB3原色のLEDを組み合わせて白色を発光させていたが、最近では、日亜化学工業社製に代表されるGaN系青色LED素子から発する青色光をパッケージに塗布したYAG系蛍光体に照射させて、1つのチップから白色光を得ることが可能とされる。
【0005】
一般に、携帯電話では、対角長が2インチ前後の液晶が搭載され、これに対応して、表示パネル用照明ユニットの導光板も略同サイズとなり、これに使われるLEDは2個から、多いものでは、4個となる。また、PDAには、対角長が3〜4インチサイズの液晶が搭載され、同様に、これに対応して表示パネル用照明ユニットの導光板も略同サイズとなり、使用されるLEDは4個から、多いものでは、6個となる。
【0006】
液晶表示パネルの高精細化に伴って、照明ユニットから照射される光の透過する部分の面積、即ち、開口率は狭まり、これに対応してバックライト、フロントライトとも年々高輝度化が求められている。このため、照明ユニット側の光利用効率を向上させる目的で、導光板のプリズム形状や光源配置など様々な工夫がなされている。
【0007】
LEDから発する光の導光板への入射方法としては、LEDの発光面を導光板の端面に向けて配置し、直接導光板へ入射する方法が多用されるが、構造がシンプルである反面、導光板内での輝度むらが発生し易いという問題を抱えている。
【0008】
このような問題を解消するものとして、特許第3151830号公報(以下、公知文献という)において、導光板の下面に形成する拡散パターン素子の配置を考慮し、その上面の光出射面からの出射光量の分布、即ち、輝度分布を均一にするようにした面状光源が提案されている。
【0009】
これは、拡散パターン素子を、底面が長方形状をなして(なお、その長辺に沿う方向を拡散パターン素子の長手方向とする)、この底面に垂直な方向の断面形状が半円をつぶしたような形状、直角三角形や二等辺三角形としたもの、あるいは三角錐状にしたもの(従って、底面は三角形状)であり、かかる拡散パターン素子を所定の配置分布とするものである。その配置分布としては、公知文献での第19図に示される拡散パターン素子の密度と光出光面での出光率との関係と、この関係を満たす第21図に示される点光源からの距離に対する拡散パターン素子の密度との関係から、LEDなどの点光源に対し、複数の同心円上に配置し(即ち、同じ列の拡散パターン素子の配列方向は、点光源を中心とする同じ円上となる)、かつこの点光源から遠ざかるほど拡散パターン素子の密度が大きくなるようにする。この場合、各拡散パターン素子は、公知文献の第12図に示されるような拡散パターン素子での光の入射角と光出射面での出射率との関係から、その長さ方向が点光源からの放射線に対してほぼ90゜となるようにし、各拡散パターン素子の面が点光源の方向を向くようにしている。
【0010】
具体的には、一例として、上記のように、拡散パターン素子の配列方向と密度とが規定されるが、引用文献の第9図に示されるように、狭い範囲で見ると、拡散パターン素子の配列がランダムになっているものである。他の例としては、引用文献の第23図に示されるように、点光源からの放射線方向に拡散パターン素子を配列するようにするものである。この場合、点光源から遠い拡散パターン素子ほど、その長さが長くなるようにする。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公知文献に記載の面状光源によると、拡散パターン素子はその長さ方向に有限の長さを持つものであり、これら拡散パターン素子が点光源を中心とする円周状に配列されるとしても、その円周方向(拡散パターン素子の長さ方向)では、拡散パターン素子が不連続に配列されているものであるから、拡散パターン素子が配置されていない拡散パターン素子間の平坦なスペースが存在することになり、このスペースでは、拡散パターン素子とは異なる作用をすることになる。特に、点光源に近い領域では、拡散パターン素子の密度が低いために、かかるスペースの占める割合が大きくなり、しかも、出光面に反射される光量はかかるスペースの部分と拡散パターン素子とで異なるものであるから、出射面を部分的に見ると、輝度分布が不均一であって輝度むらが生ずることになる。
【0012】
また、上記引用文献に記載の面状光源では、光源を点光源としていても、有限の発光面を持つものであるから、幅方向ばかりでなく、高さ方向の範囲でも光を出射しているが、各拡散パターン素子の高さを等しくしているため、導光板での点光源から離れた拡散パターン素子ほど、出射面からの反射光に対しては有効であるが、点光源からの光に作用しないものとなる。このため、このような光源からの光には有効なものとなっておらず、この点からも点光源側とその反対側とで輝度分布に違いが生ずることになる。
【0013】
本発明の目的は、かかる問題を解消し、輝度むらをさらに抑圧できて、さらに均一な輝度分布を得ることができるようにした面状光源を提供することにある。
【0014】
また、上記公知文献に記載の面状光源では、有限の長さの拡散パターン素子が数多く導光板の下面に形成することが必要であり、なおかつ配置密度も考慮して拡散パターン素子を形成する必要があるから、その作成に非常に手間のかかるものとなっている。
【0015】
本発明の他の目的は、導光板での拡散素子としてのプリズムを容易に作成することを可能とした面状光源用の成形金型の製造方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、光源チップと略正方形若しくは略長方形をなす導光板とからなり、導光板は光源チップからの光を入光する光入射部と光入射部から入光された光を反射、偏向させるプリズム面とプリズム面に対向して光を外部に出光する出射面とを有する面状光源であって、プリズム面は、断面形状が鋸刃状をなす複数のプリズムからなり、複数のプリズムは夫々、光源チップの発光面の略中央点を中心とする導光板の端面から端面まで連続した円弧状をなして、かつ同心円状に形成されてなり、複数のプリズムの円弧状をなす稜線は全て、出射面に平行、若しくは出射面に対して1.5°以下の傾きを持った仮想平面上にあって、プリズムの仮想平面からの深さが、光源チップの発光面から遠ざかるほど、深くなることとしたものである。
【0017】
また、光入射部は、導光板の4つの端面のうちの1つの端面の中央部に設けたものである。
【0018】
あるいは、光入射部は、導光板の4つの端面のうちの隣り合う2つの端面の角部に設けたものである。
【0019】
また、プリズムは夫々等ピッチで形成され、プリズム稜線を基準として、光入射部側の仮想平面に対する第1の傾斜角が、光源チップの発光面から遠ざかるにつれて、大きくなる形状をなし、第1の傾斜角とは反対側の仮想平面に対する第2の傾斜角を一定としたものである。
【0020】
あるいは、プリズムは夫々等ピッチで形成され、プリズム稜線を基準として、光入射部側の仮想平面に対する第1の傾斜角が、光源チップの発光面から遠ざかるにつれて、大きくなり、第1の傾斜角とは反対側の仮想平面に対する第2の傾斜角が、光源チップの発光面から遠ざかるにつれて、小さくなり、かつ第1の傾斜角と第2の傾斜角との和が一定となる形状をなしているものである。
【0021】
また、光入射部は、光源チップの発光面に対向して設けられたくぼみ部と、くぼみ部の奥面に設けられた複数のV字プリズムとからなり、このくぼみ部のくぼみ量を0.05〜0.5mmとしたものである。
【0022】
あるいは、V字プリズムの頂角を80°±10°、ピッチを0.05〜0.5mmとし、V字プリズム間の平坦部の幅をこのV字プリズムのピッチの10〜50%の比率に設定したものである。
【0023】
さらには、そのV字プリズム表面に面粗さRt5〜50μmの範囲の凹凸シボ加工を施したものである。
【0024】
上記目的を達成するために、本発明は、上記の面状光源用の成形金型の製造方法であって、導光板の平面形状と略同形状に外形加工された成形用駒と成形用駒を嵌め込む孔部、若しくは凹部を備えた円形ブロック状、若しくは角形ブロック状のダミー駒とを用い、成形用駒とダミー駒との表面にNi鍍金、Ni合金鍍金、Cu鍍金、Cu合金鍍金のいずれかの鍍金層を形成して、成形用駒をダミー駒の孔部、若しくは凹部に嵌め込む第1の工程と、成形用駒が孔部、若しくは凹部に嵌め込まれたダミー駒を回転させ、切削バイトにより、ダミー駒と成形用駒との鍍金層に同時に複数の環状のプリズムパターンを同心円状に形成する第2の工程と、第2の工程によってプリズムパターンが形成されたダミー駒の該孔部、若しくは凹部から成形用駒をはずす第3の工程とからなり、第3の工程によって得られた成形用駒を用いて面状光源用の成形金型を製造するものである。
【0025】
あるいは、円形ブロック状、若しくは角形ブロック状の母材の表面にNi鍍金、Ni合金鍍金、Cu鍍金、Cu合金鍍金のいずれかの鍍金層を形成して、母材を回転させて、切削バイトにより、母材の鍍金層に複数の環状のプリズムパターンを同心円状に形成し、プリズムパターンが形成された母材の一部を切り取って成形用駒とし、この成形用駒を用いて面状光源の導光板の成形金型を製造するものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
図1は本発明による面状光源の第1の実施形態を示すものであって、同図(a)は平面図、同図(b)は同図(a)の対称軸線Sに平行な分断線に沿う断面図であり、1はこの第1の実施形態の面状光源、2は光源チップ、2aは発光面、3は導光板、3aは入射端面、3bは出射面、3cは仮想平面、4はプリズム、4aはプリズム面、4bはその稜線、4cはプリズム4間の谷部である。
【0027】
図1(a)において、面状光源1は、平面形状が略正方形若しくは略長方形をなす平板状の導光板3とLEDなどの光源チップ2とから構成されており、この導光板3の1つの端面を入射端面3aとし、この入射端面3aの中央部に光源チップ2が設けられている。光源チップ2の発光面2aは導光板3の入射端面3aに対向しており、光源チップ2の発光面2aから出光される光は、この入射端面3aから導光板3内に入光される。
【0028】
ここで、導光板3の入射端面3aの中心を通り、かつこの入射端面3aに垂直な直線を対称軸線Sとする。面状光源1は、この対称軸線Sに関して、左右対称の構成をなしている。
【0029】
導光板3には、この対称軸線Sに沿って複数のプリズム4が同心円状に形成されている。即ち、これらプリズム4は夫々、光源チップ2の発光面2aのほぼ中心点(対称軸線Sがこれを通る)を中心点Soとし、この中心点Soを共通中心とした円弧状の連続した形状をなしており、これらプリズム4の両側の端部はいずれも導光板3の端面にほぼ達している。従って、両端部が導光板3のほぼ入射端面3aにある光源チップ2に近いプリズム4は、ほぼ半円状をなしている。
【0030】
図1(b)において、導光板3は、図面上その上側の面を出射面3bとしている。下側の面には、上記のプリズム4が鋸刃状の断面形状で形成されており、従って、この下側の面はこれらプリズム4によるプリズム面4aをなしている。これらプリズム4の頂部をなす稜線(プリズム稜線)4bが、図1(a)に示すように、円弧状をなしている。
【0031】
このように、各プリズム4が光源チップ2の発光面2aのほぼ中心点となる中心点Soを中心とした円弧状をなすことにより、光源チップ2からの全ての光は、その光路に垂直な線上に配置され、かつ発光点から等距離の面で反射、偏向することになる。即ち、中心点Soから等しい距離では、全ての光が同じ条件のもとで反射、偏向されることになる。
【0032】
各プリズム4の稜線4bは、導光板3の出射面3bとは反対側のこの出射面3bと平行、若しくは出射面3bに対して1.5°以下の傾きを持った仮想平面3c上にある。また、これらプリズム4の中心点Soからの距離方向のピッチPは一定である。ここで、各プリズム4の稜線4bは、基本的には、出射面3bに対して平行とするが、面状光源1を取り付ける機器に応じて傾きを持たせる場合もあり、1.5°以下の傾きであれば、特性的に支障はない。さらに、この仮想平面3cからプリズム4間の谷部4cまでの距離をプリズム4の深さDとするが、このプリズム4の深さDは光源チップ2の発光面2aでの中心点Soからの距離Lに応じて異なり、一例として、中心点Soから遠ざかるほど(即ち、距離Lが大きいほど)順次増大する。
【0033】
このプリズム4の深さDとしては、一例として、距離Lをパラメータとして、非線形の高次関数に応じて変化するものとし、他の例としては、距離Lの取り得る最大距離をLmとすると、中心点Soから(Lm/3)以下の位置を変曲点とし、例えばL<(Lm/3)の範囲とL≧(Lm/3)の範囲とで異なる非線形高次関数もしくは線形一次関数で変化し、かつこの変曲点でこれらの範囲の関数が連続するようにすることができる。
【0034】
図2は後者の具体例を示すものであって、ここでは、変曲点をL=10mmとし、この変曲点よりも距離Lが小さい範囲では、次の式(1)とし、この変曲点以上の距離Lの範囲では、次の式(2)としている。
【0035】
【数1】
このようにプリズムの深さDを距離Lに応じて変化させるのは、この距離Lに応じて出射光の光量の違いを補正するためであり、これを補正するように、上記の非線形高次関数や線形一次関数などの関数を選定するものである。
【0036】
また、プリズム4の仮想平面3cに対する傾斜角は、プリズム稜線4bを基準として、中心点So側の傾斜角(以下、内側プリズム角という)θ2とこれとは反対側のプリズム角(以下、外側プリズム角)θ1とがある。いずれにおいても、外側プリズム角θ1は、光源チップ2の発光面2aからの光を出射面3bに対してその法線方向に反射、偏向させ、出射面3bから出向させることがより望ましく、40゜から48゜の範囲内に設定され、さらに望ましくは42°から46°の範囲に設定することにより、法線方向の輝度を高めることができる。また、内側プリズム角θ2は、出射面3bで反射された光を再び出射面3bの方に反射、偏向させるために、極力平面(0°)に近い角度範囲、例えば、1゜から10゜の範囲内に設定される。ここで、内側プリズム角θ2は次の式(3)で求めることができる。
【0037】
【数2】
一例として、外側プリズム角θ1は、光源チップの発光面2aからの光を出射面3b側に反射、偏向させるために、中心点Soからの距離Lに関係なく一定とするが、内側プリズム角θ2は、プリズム4の深さDが中心点Soからの距離Lが大きくなるに従って深さを増すため、これに伴って同様に角度を増すようにする。また、他の例としては、θ1+θ2=一定とし、中心点Soからの距離Lが大きくなるに従ってプリズム4の深さDを増加させ、これに伴って内側プリズム角θ2を増加させ、外側プリズム角θ1を減少させるようにする。このようにすることにより、後述の導光板3の成形用駒でのプリズム加工の際、プリズム4の先端を中心に切削バイトを回転させることによって、プリズムの深さの可変加工を容易にするものである。
【0038】
かかる構成の面状光源1では、図1(b)において、破線で示すように、入射端面3aから入射された光源チップ2からの光は、出射面3bやプリズム面4aにその全反射の臨界角以上で入射される限り、この出射面3bとプリズム面4aとの間で反射が繰り返され、出射面3bやプリズム面4aで入射角がその全反射の臨界角よりも小さくなった光が出射面3bから、出射面3bの法線方向に出射される。
【0039】
なお、導光板3において、入射端面3aに対向する端面(即ち、入射端面3aの反対側の端面)、さらには、その両側の端面に、例えば、面粗さRt5〜50μmの凹凸シボ加工を施すことにより、これら端面で反射される光はこのシボ面によって拡散され、これら端面で光が導光板3内に均一な光量で反射されることになり、面状光源1としての光の利用率を高め、均一な輝度分布でかつ高い輝度が得られることになる。なお、この面粗さの定義はJIS−B0601規格に基づくものである。かかる面粗さの測定機としては、位相差法であるWYKO社製TOPO−2D・3D、非点収差法である東京精密社製Sufcom920A、原子間力顕微鏡であるDigital Instruments 社製Nano Scope 、触針式であるTencor社製P12EXなどを用いることができ、ここでは、一例として、Tencor社製P12EXを用いた。
【0040】
以上のように、この第1の実施形態では、各プリズム4を同心円状に配列した円弧状とすることにより、中心点Soから等距離の位置では、光源チップ2の発光面2aからの全ての光が同じ状態で反射、偏向されることになり、かつこれらプリズム4の深さDをこの中心点Soからの距離Lに応じて異ならせることにより、出射面3bでのこの距離Lに応じた出射光の光量の違いを補正することができて、導光板3の出射面3b全面から均一な光量で光を出光させることができる。この結果、面状光源として、全面にわたって均一な輝度分布が得られることになる。
【0041】
なお、図1では、導光板3の平面形状を長方形とし、その短い方の端面の1つを入射端面3aとして、これに光源チップ2を配置するようにしたが、長い方の端面の1つを入射端面3aとし、これに光源チップ2を配置するようにしてもよい。
【0042】
図3は図1における導光板3の入射端面3aでの光源チップ2との対向部分を示すものであって、同図(a)はその平面図、同図(b)は斜視図、同図(c)は同図(a)の拡大図である。これらの図面において、3dはくぼみ部、5は光入射部、6はV字プリズム、6aはその稜線、6bはV字プリズム6間の平面部であり、前出図面に対応する部分には同一符号を付けている。
【0043】
まず、図3(a)において、導光板3の入射端面3aの中央部に、対称軸線Sに関して対称となるように、くぼみ部3dを備えた光入射部5が形成されており、この光入射部5のくぼみ部3dに発光面2aが対向するようにして、光源チップ2が設けられている。そして、図3(b)に示すように、このくぼみ部3d内には、導光板3の厚さ方向に出射面3bから仮想平面3c(図1(b))にわたって連続した稜線6aを持つV字型のプリズム、即ち、V字プリズム6が複数形成されている。
【0044】
図3(c)を用いてさらに詳細に説明すると、光入射部5には、深さdのくぼみ部3dが形成されており、このくぼみ部3dの奥面に複数のV字プリズム6が形成されている。これらV字プリズム6は、このくぼみ部3dの奥面からV字状に突出した形状をなしており、これらV字プリズム6間は入射端面3aに平行な平面部6bをなしている。
【0045】
このくぼみ部3dの幅(V字プリズム6の配列方向の長さ)は、光源チップ2の発光面2aの幅よりも若干大きく設定されており、この発光面2aがくぼみ部3d内に配列されている全てのV字プリズム6と対向している。
【0046】
光源チップ2の発光面2aから出射した光は、光入射部5のくぼみ部3dから導光板3に入光されるが、このくぼみ部3d内のV字プリズム6により、拡散されて入光される。これにより、このくぼみ部3dから導光板3に入光した光は、このくぼみ部3dから導光板3の幅方向(入射端面3aに平行な方向)に広がるようにして入光されることになり、V字プリズム6を持つかかるくぼみ部3dが、設けられない場合に比べ、光量が均一となるようにして導光板3全体にわたり光が入光されることになる。また、光入射部5にくぼみ部3dを設けたことにより、発光面2aから斜め方向に出光される光もこのくぼみ部3dの壁面から導光板3に入光されるようになり、これにより、導光板3の入射端面3aの端部まで光が入光されることになって、導光板3の全面にわたってさらに輝度分布が均一なものとなる。このくぼみ部3dの深さdとしては、0.05〜0.5mmの範囲で設定され、そのくぼみ量が0.05mm未満であれば、V字プリズム6の中心近傍に光が集中し、前記した導光板3全体にわたり光が入光されることなく、入射端面3a部では左右の隅部が暗いものとなってしまう。また、上記くぼみ量が0.5mmを超えれば、無駄なスペースとなって、発光エリアに対して光源チップを含む寸法が大きくなってしまう。
【0047】
次に、V字プリズム6の形状としては頂角αが80゜±10゜、ピッチPvが0.05〜0.5mm、V字プリズム6間の平坦部6bの幅WがピッチPvの10〜50%の範囲で設定される。これらはフレネルの式に基づいて頂角α、ピッチPv、平坦部6bの幅Wの組み合わせで夫々最適化しており、1つでもその範囲を外れると、V字プリズム6の中心近傍に光が集中し、入射端面3a部で左右の隅部が暗いものとなってしまい、導光板3の輝度分布が不均一なものになってしまう。
【0048】
なお、V字プリズム6の表面に表面粗さRt5〜50μmの範囲の凹凸シボ加工を施すことにより、光源チップ2からの光をさらに効率的に拡散させて導光板3に入光することができる。
【0049】
図4(a)はこの第1の実施形態を液晶表示パネルの光源として用いた一具体例を示すものであって、この具体例では、導光板3の出射面3b側に偏光板8を設けた透過型液晶板7aを配置し、さらに、導光板3のプリズム面4a側に反射板9を配置したものであり、これにより導光板3に入光した光はプリズム面4a及び反射板9で漏れなく反射、偏向され、出射面3bから出光する。出射面3bから出光した光は偏光板8を介して液晶板7を照明するようにしたバックライト型の液晶表示パネルを構成することができる。
【0050】
図4(b)はこの第1の実施形態を液晶表示パネルの光源として用いた他の具体例を示すものであって、この具体例では、導光板3の出射面3b側に偏光板8を設けた反射型液晶板7bを配置したものであり、これにより、導光板3の出射面3bから出光した光が偏光板8を介して反射型液晶板7bを照明する。そして、この光は反射型液晶板7b内にある反射電極(図示せず)で反射され、再び導光板3を通るようにしたフロントライト型の液晶表示パネルを構成することができる。
【0051】
また、図4(c)はこの第1の実施形態を液晶表示パネルの光源として用いたさらに他の具体例を示すものであって、この具体例では、導光板3のプリズム面4a側に偏光板8を設けた透過型液晶板7aを配置し、導光板3の出射面3bに反射板9を配置したものであり(なお、反射板9を設ける代わりに、反射膜を面3bに形成するようにしてもよい)、これにより、導光板3の出射面3b側の反射板9で反射されてプリズム面4aから出光した光が偏光板8を介して透過型液晶板7aを照明するようにしたバックライト型の液晶表示パネルを構成することができる。
【0052】
図5は本発明による面状光源の第2の実施形態を示す平面図であって、図1に対応する部分には同一符号を付けて重複する説明を省略する。
【0053】
この第2の実施形態は、図5において、導光板3の2つの端面が隣り合う角部に光入射部5を設けたものである。この光入射部5も図3に示した構成をなしており、図3で説明したようにして、この光入射部5で光源チップ2から導光板3に光が入光される。また、第1の実施形態と同様、この場合、中心線Sは外形的に軸対称とはならないが、光入射部5の中央を通り、この光入射部5や光源チップ2の発光面2aに垂直な直線であり、この発光面2aでの中心線Sが通る位置の中心点So(図示せず)を中心とした同心状に、複数のプリズム4が設けられている。これらプリズム4も、導光板3の略端部から端部へわたって連続した円弧状をなしている。
【0054】
また、この第2の実施形態においても、各プリズム4に関し、第1の実施形態と同様、図1(b)を示す構成をなしている。この場合、光源チップ2が導光板3の角部に配置されていることから、光源チップ2から出光される光の平面方向の出射角が90°あれば、導光板3内を均一に照射することができるメリットがあるが、その反面、非対称であることから、液晶板に搭載し、液晶表示パネルとして用いた場合、視野的に左右、若しくは上下が非対称のものとなってしまう。
【0055】
以上のように、この第2の実施形態も、各プリズム4を同心円状に配列した円弧状とすることにより、中心点Soから等距離の位置では、光源チップ2の発光面2aからの全ての光が同じ状態で反射、偏向されることになり、かつこれらプリズム4の深さDをこの中心点Soからの距離Lに応じて異ならせることにより、出射面3bでのこの距離Lに応じた出射光の光量の違いを補正することができて、導光板3の全面から均一な光量で光を出光させることができる。この結果、面状光源として、全面にわたって均一な輝度分布が得られることになる。
【0056】
図6は図1に示した面状光源1における導光板3の成形金型の製造方法の一実施形態を示す工程図であり、10は成形用駒、10aはくぼみ部、11はダミー駒、11aは孔部、11bは突起部、12は切削バイト、13はプリズムパターン、14は鍍金層である。
【0057】
図6(a)において、この実施形態は、成形用駒10と外形が円形ブロック状のダミー駒11とを用い、成形用駒10にプリズムパターンを形成して導光板3の成形金型を製造するものである。成形用駒10は外形が目的とする導光板3の外形形状と略同形状に加工したものであり、また、ダミー駒11には、この成形用駒10ががたつきなくきちんと嵌め込まれる孔部11aが設けられている(なお、孔部11aの代わりに同様の凹部であってもよいが、以下では、孔部11aとして説明する)。この孔部11aは、ダミー駒11のほぼ中心点からほぼ外周にまで達している。成形駒10には、導光板3の光入射部5でのくぼみ部3dに相当するくぼみ部10aが設けられている。ダミー駒11の孔部11aには、このくぼみ部10aに嵌り込む突起部11bが設けられている。孔部11aの深さは成形用駒10の厚さに等しく、成形用駒10をこの孔部11aに嵌め込んだときには、成形用駒10の表面とダミー駒11の表面とが同一平面上にある。
【0058】
導光板3の成形金型(図示せず)を製造する場合、まず、成形用駒10をダミー駒11の孔部11aに嵌め込む前に、これら成形用駒10とダミー駒11との夫々の表面に、Ni鍍金、Ni合金鍍金、Cu鍍金、若しくはCu合金鍍金のいずれかの鍍金層14を厚さ100μmで形成し、成形用駒10をダミー駒11の孔部11aに嵌め込む。
【0059】
ここでの鍍金は電気鍍金、無電解鍍金のいずれでもよく、鍍金厚みとしては100μmから300μmまでが好ましく、鍍金厚みがこれ以下であれば、プリズム加工の際の基準面出しを含めた切削代が少なく、鍍金厚みが300μmを越える場合は、鍍金に時間がかかったり、不必要な鍍金を載せることになる。
【0060】
しかる後、図6(b)に示すように、ダミー駒11をその中心点を中心にして回転させ、単結晶ダイヤモンドバイトなどの切削バイト12を用いて成形用駒10とダミー駒11の鍍金層14に所望とするプリズムパターン13を形成する。この場合、このプリズムパターン13は、成形用駒10の鍍金層14に図1で説明したようなプリズム4が得られるように、加工されることになる。
【0061】
この加工が終了すると、図6(c)に示すように、ダミー駒11の孔部11aから成形用駒10が取り外される。このように加工されて得られる成形用駒10が、図6(d)に示すように、鍍金層14にプリズム4が形成された導光板3を射出成形するための、成形金型用の駒である。
【0062】
このようにして、旋盤加工によってプリズム4が容易にかつ高精度に形成された導光板3の成形金型を得ることができる。
【0063】
ここで、かかる成形金型を用いて射出成形するプラスチック材料、即ち、導光板3の材質としては、特に限定されないが、透過率や成形性の面からPMMA(ポリメタクリ酸メチル)、PC(ポリカーボネート)、PS(ポリスチレン)、COP(環状オレフィンポリマー)、COPとポリエチレンの共重合体であるCOC(環状オレフィンコポリマー)などが挙げられる。
【0064】
また、ダミー駒11としては、図6(e)に示すように、その外形が略正方形などの多角形ブロック状であってもよい。
【0065】
図7は図5に示した面状光源1における導光板3の製造方法の一実施形態の1工程を示す工程図であって、図6に対応する部分には同一符号を付けている。
【0066】
この実施形態も、図6に示した製造方法と同様であるが、ダミー駒11の孔部(または、凹部)11aを、その1つの角部がダミー駒11の回転中心に近接するように形成する。この実施形態においても、成形用駒10も、その1つの角部が、図5で説明したように、光入射部5をなすように既に加工されており、この角部が孔部11aの上記角部に嵌り込むことになる。
【0067】
これ以外は、図6に示した実施形態と同様であり、結局、図5に示した導光板3の成形金型を得ることができる。
【0068】
なお、図6及び図7に示した実施形態では、予めダミー駒11と成形用駒10とを用意し、成形用駒10はプリズム4を形成するばかりのものとしたが、本発明はこれのみに限るものではなく、図6及び図7に示すような孔部(または、凹部)11aを持たない円板状の母材の表面に上記の鍍金層を形成し、これに、図6(b)で説明したように、切削バイト12でプリズムパターン13を形成し、しかる後、図6(b)若しくは図7で成形用駒10として示す範囲を切り取り、外形加工することによって図6(b)に示す導光板3を成形する金型を得ることもできる。
【0069】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の面状光源によると、光源チップの発光面を中心とした同一円周上での光の反射、偏光状態を等しくし、かつこの発光面からの距離に応じてプリズムの深さを大きくして、この距離にかかわらず、この発光面からの光の反射、偏光作用をほぼ等しくしているので、出射面全体にわたっての輝度分布の均一性が大幅に向上する。
【0070】
また、本発明による面状光源の成形金型の製造方法によると、旋盤加工によってプリズム面を精度良く形成することが可能であり、面状光源の製造がより簡単なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による面状光源の第1の実施形態を示す図である。
【図2】図1(b)におけるプリズムの深さDの距離Lに応じた変化の一具体例を示す図である。
【図3】図1における導光板の光入射部の部分を示す図である。
【図4】図1に示す第1の実施形態を用いた液晶表示パネルの構成例を示す図である。
【図5】本発明による面状光源の第2の実施形態を示す平面図である。
【図6】本発明による面状光源の成形金型の製造方法の第1の実施形態を示す工程図である。
【図7】本発明による面状光源の成形金型の製造方法の第2の実施形態の1工程を示す平面図である。
【符号の説明】
1 面状光源
2 光源チップ
2a 発光面
3 導光板
3a 入射端面
3b 出射面
3c 仮想平面
4 プリズム
4a プリズム面
4b 稜線
4c 谷部
3d くぼみ部
5 光入射部
6 V字プリズム
6a 稜線
6b 平面部
7 液晶板
7a 透過型液晶板
7b 反射型液晶板
8 偏光板
9 反射板
10 成形駒
10a くぼみ部
11 ダミー駒
11a 孔部(凹部)
11b 突起部
12 切削バイト
13 プリズムパターン
14 鍍金層
Claims (10)
- 光源チップと略正方形若しくは略長方形をなす導光板とからなり、該導光板は該光源チップからの光を入光する光入射部と該光入射部から入光された該光を反射、偏向させるプリズム面と該プリズム面に対向して光を外部に出光する出射面とを有する面状光源において、
該プリズム面は、断面形状が鋸刃状をなす複数のプリズムからなり、
複数の該プリズムは夫々、該光源チップの発光面の略中央点を中心とする該導光板の端面から端面まで連続した円弧状をなして、かつ同心円状に形成されてなり、
複数の該プリズムの円弧状をなす稜線は全て該出射面に平行、若しくは該出射面に対して1.5°以下の傾きを持った仮想平面上にあって、該プリズムの該仮想平面からの深さが、該光源チップの発光面から遠ざかるほど、深くなることを特徴とする面状光源。 - 請求項1において、
前記光入射部は、前記導光板の4つの端面のうちの1つの端面の中央部に設けたことを特徴とする面状光源。 - 請求項1において、
前記光入射部は、前記導光板の4つの端面のうちの隣り合う2つの端面の角部に設けたことを特徴とする面状光源。 - 請求項1〜3のいずれか1つにおいて、
前記プリズムは夫々等ピッチで形成され、前記プリズム稜線を基準として、前記光入射部側の前記仮想平面に対する第1の傾斜角が、前記光源チップの発光面から遠ざかるにつれて、大きくなる形状をなし、該第1の傾斜角とは反対側の前記仮想平面に対する第2の傾斜角が一定であることを特徴とする面状光源。 - 請求項1〜3のいずれか1つにおいて、
前記プリズムは夫々等ピッチで形成され、前記プリズム稜線を基準として、前記光入射部側の前記仮想平面に対する第1の傾斜角が、前記光源チップの発光面から遠ざかるにつれて、大きくなり、該第1の傾斜角とは反対側の前記仮想平面に対する第2の傾斜角が、前記光源チップの発光面から遠ざかるにつれて、小さくなり、かつ該第1の傾斜角と該第2の傾斜角との和が一定となる形状をなしていることを特徴とする面状光源。 - 請求項1〜5のいずれか1つにおいて、
前記光入射部は、前記光源チップの発光面に対向して設けられたくぼみ部と、該くぼみ部の奥面に設けられた複数のV字プリズムとからなり、該くぼみ部のくぼみ量が0.05〜0.5mmであることを特徴とする面状光源。 - 請求項6において、
前記V字プリズムの頂角を80°±10°、ピッチを0.05〜0.5mmとし、前記V字プリズム間の平坦部の幅を前記V字プリズムのピッチの10〜50%の比率に設定したことを特徴とする面状光源。 - 請求項6または7において、
前記V字プリズムの表面に面粗さRt5〜50μmの凹凸シボ加工を施したことを特徴とする面状光源。 - 請求項1〜8のいずれか1つに記載の面状光源用の成形金型の製造方法であって、
前記導光板の平面形状と略同形状に外形加工された成形用駒と、該成形用駒を嵌め込む孔部、若しくは凹部を備えた円形ブロック状、若しくは角形ブロック状のダミー駒とを用い、
該成形用駒と該ダミー駒の表面にNi鍍金、Ni合金鍍金、Cu鍍金、Cu合金鍍金のいずれかの鍍金層を形成して、該成形用駒を該ダミー駒の該孔部、若しくは該凹部に嵌め込む第1の工程と、
該成形用駒が該孔部、若しくは該凹部に嵌め込まれた該ダミー駒を回転させ、切削バイトにより、該ダミー駒と該成形用駒との該鍍金層に同時に複数の環状のプリズムパターンを同心円状に形成する第2の工程と、
該第2の工程によってプリズムパターンが形成された該ダミー駒の該孔部若しくは該凹部から該成形用駒をはずす第3の工程と
からなり、該第3の工程によって得られた該成形用駒を前記導光板の成形金型の作成に用いることを特徴とする面状光源用成形金型の製造方法。 - 請求項1〜8のいずれか1つに記載の面状光源用の成形金型の製造方法であって、
円形ブロック状、若しくは角形ブロック状の母材の表面にNi鍍金、Ni合金鍍金、Cu鍍金、Cu合金鍍金のいずれかの鍍金層を形成し、該母材を回転させて、切削バイトにより、該母材の該鍍金層に複数の環状のプリズムパターンを同心円状に形成し、該プリズムパターンが形成された該母材の一部を切り取って前記導光板成形用駒とし、該成形用駒を前記導光板の成形金型の作成に用いることを特徴とする面状光源用成形金型の製造方法。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20051004 |