JP2006173604A - 区画を持つ発光ダイオード・ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】高効率かつ均一な輝度分布を有するディスプレイ・セグメントを提供する。
【解決手段】キャリア１０６上に複数のＬＥＤダイ１０２、１０４が配置され、空洞４１１を有するリフレクタ構造体４２２がＬＥＤダイ１０２、１０４を囲うように形成される。空洞４１１内のキャリア１０６上には、複数のＬＥＤダイの間を仕切るように中間リフレクタ構造体４１６が配置される。リフレクタ構造体４１６は中間リフレクタ壁４１８、４２０を有し、ＬＥＤダイ１０２、１０４から発せられる光は周囲リフレクタ壁４１２、４１４、中間リフレクタ壁４１８、４２０によって反射され、空洞４１１から外に放射される。
【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、発光ダイオード・ディスプレイに用いて好適なディスプレイ・セグメントに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイに利用されるＬＥＤ等の発光デバイスは、取り扱いや電気装置への組み込みを容易にする為にパッケージングされている。一般にＬＥＤダイがプリント回路基板、リードフレーム又はフレキシブル回路等のキャリアへと取り付けられ、ワイヤボンディングによりそのキャリアへと電気的に結合される。一部の例においては、ダイははんだ付け、導電性エポキシ、又は共晶ダイ接合等によりキャリアへと電気的、機械的に取り付けられ、ダイ上部からキャリア上のトレースへの単一のワイヤボンディングによってキャリアとＬＥＤダイ間の電気的接続が完成する。

ＬＥＤダイからの光出力を閉じ込め、方向を定める空洞を持つプラスチック・ハウジングは通常、キャリアの上に配置されるもので、その空洞の中には複数のＬＥＤが収容される。このプラスチック・ハウジングは、ＬＥＤからの光を所望の方向（例えばキャリアやダイから離れる方向）へと向ける反射性領域を含んでいることから、一般に「リフレクタ」と呼ばれている。空洞は通常、光学用エポキシ樹脂により完全に又は部分的に充填されている。空洞の各々は通常、ディスプレイの「セグメント」と呼ばれる。

物理的により大型のセグメントが望まれる場合、単一の空洞中には複数のダイが配置される。例えば腕時計ディスプレイの１セグメントは相対的に小さい一方で、電子レンジ又は他の家電用ディスプレイの１セグメントは一般により大きいものである。１セグメントに更なるＬＥＤを付加することは、そのセグメントによる総光出力量を増大させることになり、より輝度の高い大型ディスプレイを作る上で望ましい。

しかしながら、２個、３個又はそれ以上のＬＥＤダイを単一の空洞中に配置すると、そのセグメントが放射する光が不均一となる場合も多い。高い輝度が特定領域に極度に集中してしまい、そのセグメント全体の輝度が不均一に見えてしまうのである。ＬＥＤディスプレイの１セグメントにおけるより輝度の高い領域は「ホットスポット」と呼ばれる。図１Ａは、２つのＬＥＤダイ１０２、１０４を持つ従来のディスプレイ・セグメント１００の断面図である。ＬＥＤダイ１０２、１０４はキャリア１０６上に搭載されており、ＬＥＤダイ１０２、１０４の上部はワイヤボンディング１０８、１１０によりキャリア１０６上のワイヤトレース（図示せず）へと電気的に接続されている。ＬＥＤダイ１０２、１０４はプラスチック製のリフレクタ１１２により形成される空洞１１１内にあり、リフレクタは空洞１１１の周囲を囲む反射面１１４、１１６を持っている。空洞の残りの部分は光学エポキシ、シリコン、その他の有機、又は無機材料等の封止材１１８で充填されている。代わりに、空洞は固体材料で充填せずにエアギャップとして残されていても良い。

図１Ｂは、図１Ａのディスプレイ・セグメントの空洞全体のモデルシミュレーションに基づく相対的な光強度を示したグラフである。ホットスポット１２０、１２２は基本的にはＬＥＤダイが配置されている所で生じている。相対的に低い強度の領域１２４は、ホットスポット１２０、１２２間に生じる。一部のディスプレイ・アプリケーションでは、このようなホットスポットは許容されないものである。

図２Ａは空洞１１１’に追加ＬＥＤダイ１３２を含むディスプレイ・セグメント１３０の断面図であり、これは図１Ｂに示したホットスポット領域を小さくすることを目的とした手法である。図２Ｂは、図２Ａのディスプレイ・セグメントの空洞全体にわたる相対的な光強度を示したグラフである。追加ＬＥＤダイが低強度領域を埋めており、このセグメントにおけるホットスポットを見かけ上、目立たなくしてはいるものの、比較的に高価な更なるＬＥＤダイとこれに付随するダイアタッチやワイヤボンディングを付加したことにより、このセグメントに要する電源条件、ヒートシンク条件及びコストが増大してしまう。

ホットスポットを低減する為の他の手法として、ＬＥＤダイとボンディングワイヤを封止する為に用いられるエポキシ中に拡散体を含ませるというものがある。拡散体は入射した光線を内部的に反射して散乱させる微小な粒子から成る。これによりホットスポットからの光が拡散し、そのセグメントの空洞にわたってより均一な強度が得られる。しかしながら、拡散粒子による大幅な光の喪失と吸収によりそのセグメントから出る光の量は少なくなる。

図３はディスプレイ・セグメント１４０の断面図であるが、これはＬＥＤダイ１０２からの矢印で示される光線がどのように拡散体を含む封止材１１８’を通過するかを説明するものである。光線の一部（例えば光線１４２）が拡散体含有封止材１１８’を出るまでに移動しなければならない経路は相対的に長くなっている。これはディスプレイ・セグメント１４０からの光強度の損失に繋がるのである。

ホットスポットを低減する為の他の方法としては、ＬＥＤダイから広がる光線が、そのセグメント全体により均一な強度を持つことになるように、空洞を深くする手法が挙げられる。しかしながら、空洞を深くするとより大型パッケージのディスプレイとなってしまい、リフレクタや封止材用により大きい材料コストがかかってしまう。加えて、より深い空洞とすることにより、ＬＥＤダイからの全ての光が、同様のより浅い空洞の場合よりも大量の封止材を透過しなければならなくなる。これにより、特に封止材が拡散体を含んでいる場合はより多くの光が吸収されてしまう、及び／又は後方散乱してしまうことになり、そのディスプレイ・セグメントにより提供される光がより少なくなるのである。

複数のＬＥＤを含むＬＥＤディスプレイ・セグメントにおいて、ホットスポットの形成を低減することが望ましく、更には、輝度を向上させたディスプレイ・セグメントを提供することが望ましいのである。

ディスプレイ・セグメントは、キャリア、キャリアに取り付けられた第一の発光ダイオード、及びキャリアに取り付けられた第二の発光ダイオードを含んでいる。そのキャリア上の第一の発光ダイオード及び第二の発光ダイオードの間に中間リフレクタ構造が配置されている。中間リフレクタ構造は、第一の発光ダイオードに近接する第一の中間リフレクタ壁と、第二の発光ダイオードに近接する第二の中間リフレクタ壁とを含んでいる。

図４Ａは、ＬＥＤディスプレイに使用する本発明の一実施の形態に基づくディスプレイ・セグメント４００の断面図である。ディスプレイ・セグメント４００は、キャリア１０６上に搭載された、本実施の形態においてはチップ状のものであるが、ダイとも呼ばれる２つのＬＥＤ１０２、１０４を含んでいる。キャリア１０６は例えばセラミック基板、プリント回路基板、又はリードフレームである。ＬＥＤダイ１０２、１０４は周囲リフレクタ壁４１２、４１４の内側にある。中間リフレクタ構造体４１６がＬＥＤダイ１０２及び１０４の間で空洞４１１を横断しており、それぞれに１つのＬＥＤダイを擁する二つの反射性の区画を作っている。中間リフレクタ構造体４１６は中間リフレクタ壁４１８、４２０を含み、これらはそれぞれに周囲リフレクタ壁４１２及び１４１と協働してディスプレイ・セグメント４００からの光出力を増大させると共にホットスポット（図４Ｃ参照）を低減している。中間リフレクタ壁４１８、４２０には、例えば酸化チタン（ＴｉＯ₂）色素を含む塗料等の白色光反射塗料が塗られており、塗料が塗られていない壁であれば逃げてしまう可能性のある臨界角未満の光線を反射するようになっている。塗料層は相対的に薄く、この図においては別個に図示はしていない。基板はセラミック製、プリント回路基板（ＰＣＢ）材料、又はリードフレームである。一部の実施の形態においては、リフレクタがポリカーボネート材で作られている。リフレクタ構造体は、例えばアルミニウム、銀、又はニッケルによりコーティング又はめっきされた、或いは白色又はメタリック塗料で塗装されたものである。代わりに、リフレクタの材料を反射性材料とするか、或いはポリカーボネートに酸化チタン等の反射性材料を載せたものとすることも出来る。
一部の実の形態においては、中間リフレクタ構造体４１６の高さ（例えばＬＥＤダイが搭載されているキャリアの表面から測定した最大高）は、周囲リフレクタ壁よりも低い。こうすることで特定のアプリケーションにおいては隣接するＬＥＤダイからの光により高い均一性を得ることが出来る。更に中間リフレクタ構造体の高さを低くすることでエンドユーザーにも目立たなくなり、従来のディスプレイ・セグメントと一緒に用いる場合でも、本発明に基づくディスプレイ・セグメントの外観上の見た目が良くなる。また、中間リフレクタ構造体の高さを低くしたことで、空洞の残りの部分（ＬＥＤダイ、中間リフレクタ構造体、及びワイヤボンドが占めていない部分）を充填する際に一回の封止材の投入で済む。

一部の実施の形態においては、中間リフレクタ構造体４１６は、プラスチックから製作された後にメタライゼーション又は塗料の塗布により反射性の壁を形成したリフレクタ４２２と一体となっている。一実施の形態においては、中間リフレクタ構造体及び周囲リフレクタ壁は一体に射出成形されたものである。代わりに、中間リフレクタ構造体及び周囲リフレクタはキャリア上で組み立てられた２つの部品から成るものであり、これにより中間リフレクタ構造体を従来のディスプレイ空洞へ付加することを可能とし、強度を向上させ、ホットスポットを低減したディスプレイ・セグメントの提供を可能としている。

図４Ｂは、図４Ａのディスプレイ・セグメント４００の空洞４１１全体にわたって期待される相対的な光強度を示したものである。その光強度はＬＥＤダイ間の領域を除いて、図１Ｂの光強度とほぼ同様である。図１Ａに示したディスプレイ・セグメントのＬＥＤ間における従来のディスプレイ・セグメントの光強度を点線４３０に示した。図４Ａのディスプレイ・セグメント４００により生成された光の総量は、強度曲線４３２の下側の部分にあたる。よって図４Ａのディスプレイ・セグメント４００からの光は、図１Ａに示した従来のディスプレイ・セグメント１００からの光よりも曲線４３０、４３２間の領域４３４分だけ大きいのである。同様に、図４Ａの実施の形態におけるＬＥＤダイ間の光強度はより均一であり、セグメントの空洞中のホットスポット（図１Ｂの符号１２０、１２２参照）は基本的に排除されている。

図４Ｃは図４Ａのディスプレイ・セグメント４００の断面図であり、矢印に示されるＬＥＤダイ１０２からの光線経路を示したものである。光線４２２は、中間リフレクタ構造体４１６が存在しない場合の同様光線４４２’が伝わるよりも大幅に短い、封止材１１８中の経路を伝わる。封止材１１８内における経路が短いということは、ＬＥＤ１０２からの光で吸収される及び／又は散乱する部分が少なくなることを意味する。リフレクタ構造体の角度及び形状は、使用される光源の種類（例えばＬＥＤ）、空洞サイズ、空洞中におけるダイの配置、封止材タイプ、及びディスプレイ・セグメントのアプリケーションに応じて選択されるものである。

図５Ａは、本発明の一実施の形態に基づくディスプレイ・セグメント５００の平面図である。中間リフレクタ構造体５０２は、共通基板（この図には図示せず）上に搭載されたＬＥＤ５０４、５０６、５０８、５１０各々の間に延びている。個々のＬＥＤが反射壁で囲まれるように、中間リフレクタ構造体は周囲リフレクタ構造体５１２と一体化したものである。

図５Ｂは、図５Ａのディスプレイ・セグメント５００の等角図であり、これは共通キャリア５１４を示している。換言すれば、ディスプレイ・セグメント５００にあるＬＥＤの各々は、同じキャリア５１４上に搭載されているのである。電気リード（図示せず）はキャリアの底部及び／又は側面から延びている。一実施の形態においては、各ＬＥＤは個々に制御可能であり、各ＬＥＤの光出力を所望レベルに設定することが出来る。代わりに、１セグメント中の２つ以上のＬＥＤが電気接続を共有していても良い。一実施の形態においては、１セグメント中のＬＥＤの全てが電気接続を共有している。ディスプレイ・セグメント５００は電気部品であり、代表的には複数のディスプレイ・セグメントが組み立てられることによりディスプレイが作られる。

図６は、本発明の他の実施の形態に基づくディスプレイ・セグメント６００の平面図である。３つのＬＥＤ６０２、６０４、６０６がキャリア（この図においては図示せず）上に搭載されている。リフレクタ６０８は周囲リフレクタ壁６０９と、ＬＥＤダイを各々から分離し、周囲リフレクタ壁６０９と協働してキャリア上にある各ＬＥＤを反射性の壁で囲む中間リフレクタ構造体６１０とを含んでいる。中間リフレクタ構造体６１０の高さは、周囲リフレクタ壁６０９の高さと同じである。或いは、中間リフレクタ構造体６１０の高さは周囲リフレクタ壁６０９の高さよりも低くても良い。

図７Ａ〜図７Ｈは中間リフレクタ構造体の実施の形態の断面図である。図７Ａは、頂点７０６でぶつかる直線的な壁７０２、７０４を持つ中間リフレクタ構造体７００を示している。壁の角度は空洞中のＬＥＤ（図４Ａ参照）間にあるスペースに応じて底辺７０８の幅により選択される。図７Ｂは、切り取られた（面取りされた）端部７０６’を持つ直線的な壁７０２’、７０４’を含む中間リフレクタ構造体７１０を示している。図７Ｂの中間リフレクタ構造体は、図４Ｂに示したシミュレーション結果を得る為にモデリングされたものである。図７Ｃは、頂点７２６でぶつかる凹型の反射側壁７２２、７２４を持つ中間リフレクタ構造体７２０を示している。凹型の反射側壁は、例えば円、楕円、放物線又は双曲線の一部を成す形状をしている。一実施の形態においては、側壁の各々は同様の曲線がつけられている。代わりに、一方の側壁に異なる半径、弧又は形状を持たせることにより、他方とは別の曲線を作っても良い。一実施の形態としては、一方の側壁が凸型で、他方が凹型である。

図７Ｄは、凹型の反射側壁（リフレクタ）７２２’、７２４’を持つ中間リフレクタ構造体７２０’を示しており、これらの反射側壁７２２’、７２４’は互いに直接合流（接続）していない。中間リフレクタ構造体の頂点７２６’は、図７Ｂの例と同様に切り取られて（面取りされて）いる。図７Ｅ及び図７Ｆは、凸型の反射側壁７３２、７３４、７３２’、７３４’を持つ中間リフレクタ構造体７３０、７３０’を示している。図７Ｇは半円形断面の反射壁７４２を持つ中間リフレクタ構造体７４０である。図７Ｈは半楕円形断面の反射壁７５２を持つ中間リフレクタ構造体７５０である。

中間リフレクタ構造体の異なる形状及び断面形状は、異なるアプリケーションに使用される。例えば、図７Ｃ及び７Ｄに示したもののような凹型反射壁は、前面から見た場合にセグメントに高輝度を出したい場合に望ましい。一実施の形態においては、凹型反射壁は基本的に放物線形の断面を有するものである。広い視野角にわたって良好な輝度が望ましい場合等、他のアプリケーションにおいては、凸型反射壁の方が望ましいことがある。

本発明の実施の形態を詳細にわたって説明して来たが、当業者には明らかなように、本願請求項により定義される本発明の範囲から離れることなく、これらの実施の形態に変更及び改変を加えることが出来るものである。

２つのＬＥＤダイを含む従来のディスプレイ・セグメントの断面図である。 図１Ａのディスプレイ・セグメントの空洞全体にわたる相対的な光強度の分布を示す図である。 従来の技術に係る、空洞中に更なるＬＥＤダイを追加したディスプレイ・セグメントの断面図である。 図２Ａのディスプレイ・セグメントの空洞全体にわたる相対的な光強度の分布を示す図である。 従来の技術に係る、拡散体を含む封止材中を光線がどのように伝わるかを描いたディスプレイ・セグメントの断面図である。 本発明の一実施の形態に基づくＬＥＤディスプレイ用ディスプレイ・セグメントの断面図である。 図４Ａのディスプレイ・セグメントの空洞全体にわたる相対的な光強度の分布を示す図である。 ＬＥＤダイからの光線の経路を示す図４Ａのディスプレイ・セグメントの断面図である。 本発明の一実施の形態に基づくディスプレイ・セグメントの平面図である。 共通キャリアを描いた図５Ａのディスプレイ・セグメントの等角図である。 本発明の他の実施の形態に基づくディスプレイ・セグメントの平面図である。 中間リフレクタ構造体の一実施の形態を示す断面図である。 中間リフレクタ構造体の一実施の形態を示す断面図である。 中間リフレクタ構造体の一実施の形態を示す断面図である。 中間リフレクタ構造体の一実施の形態を示す断面図である。 中間リフレクタ構造体の一実施の形態を示す断面図である。 中間リフレクタ構造体の一実施の形態を示す断面図である。 中間リフレクタ構造体の一実施の形態を示す断面図である。 中間リフレクタ構造体の一実施の形態を示す断面図である。

符号の説明

１００、１３０、１４０、４００、５００、６００ ディスプレイ・セグメント
１０２、６０２ 第一の発光ダイオード
１０４、６０４ 第二の発光ダイオード
１０６、５１４ キャリア
１１１、４１１ 空洞
１１８ 封止材
４１２、４１４、５１２、６０９ 周囲リフレクタ壁
４１６、５０２、６１０、７００、７１０ 中間リフレクタ構造体
４１８、７２２ 第一の中間リフレクタ壁
４２０、７２４ 第二の中間リフレクタ壁
４２２ リフレクタ構造体
６０６ 第三の発光ダイオード

Claims (10)

1. キャリアと、
   前記キャリア上に配置され、空洞を持つリフレクタ構造体と、
   前記空洞中で前記キャリアに取り付けられた第一の発光ダイオードと、
   前記空洞中で前記キャリアに取り付けられた第二の発光ダイオードと、
   前記空洞中に前記第一の発光ダイオードと前記第二の発光ダイオードとの間で前記キャリア上に配置され、前記第一の発光ダイオードに近接する第一の中間リフレクタ壁と前記第二の発光ダイオードに近接する第二の中間リフレクタ壁とを含む中間リフレクタ構造体と
   を具備することを特徴とするディスプレイ・セグメント。
2. 前記空洞の周囲を囲む周囲リフレクタ壁を更に具備し、
   前記中間リフレクタ構造体が前記周囲リフレクタ壁と協働して前記第一の発光ダイオードを取り囲むことを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ・セグメント。
3. 前記リフレクタ構造体が、前記キャリアからの第一の高さを持つ周囲リフレクタ壁を含み、
   前記中間リフレクタ構造体が前記キャリアからの第二の高さを持っており、
   前記第一の高さが前記第二の高さを越すことを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ・セグメント。
4. 前記中間リフレクタ構造体を覆う為に前記空洞をほぼ満たす封止材を更に具備することを特徴とする請求項３に記載のディスプレイ・セグメント。
5. 前記封止材が拡散体を含むことを特徴とする請求項４に記載のディスプレイ・セグメント。
6. 前記リフレクタ構造体及び前記中間リフレクタ構造体が一体化されていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ・セグメント。
7. 前記空洞中で前記キャリアに取り付けられた第三の発光ダイオードを更に具備し、
   前記中間リフレクタ構造体が、前記第一の発光ダイオードと前記第三の発光ダイオード、及び前記第二の発光ダイオードと前記第三の発光ダイオードの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ・セグメント。
8. 前記第一の中間リフレクタ壁が凹型形状を有し、前記第二の中間リフレクタ壁が凹型形状を有することを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ・セグメント。
9. 前記第一の中間リフレクタ壁が放物線形の断面形状を有し、前記第二の中間リフレクタ壁が放物線形の断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ・セグメント。
10. 前記第一の中間リフレクタ壁が凹型形状を有し、前記第二の中間リフレクタ壁が凸型形状を有することを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ・セグメント。

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