JP2008027649A - 光源装置およびバックライト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子から側面方向へ出射される光も効率よく有効に利用する光源装置を提供する。
【解決手段】所定数の光源（７１）から射出される光（Ｌ）を所定の方向に導いて出光させる光源装置（１０）は、透明材料（７４）によって光源（７１）を基板（７２）の実装面（７７）上に固定封止して実装面（７７）に実質的に平行な対向面（７５）と、対向面（７５）および実装面（７７）の双方に実質的垂直な側面（７６）によって規定される立方体形状に形成された発光ブロック（７）と、対向面（７５）と対向する対向入射面（８１）と対向入射面（８１）に実質的に平行且つ広幅に形成された出射面（８４）と側面（８２）に対向する入射側面（８２）と出射面（８４）および入射側面（８２）と端部とを接続する傾斜側面（８３）によって規定される断面形状を有する導光ブロック（８）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子から出射される光を側面方向から取り入れて、効率よく有効に利用する光源装置および当該光源装置を用いた高効率で明るいバックライト装置に関する。

近年、発光効率の高い発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ素子」）が開発されている。このようなＬＥＤ素子は、文字などをドットマトリクス表示する様々な情報表示装置や交通用信号機などの光源に広く適用されてきている。また、液晶表示パネルのバックライト用の光源としての用途も携帯電話などの小型の液晶表示装置を中心に拡大している。

ＬＥＤ素子を用いて液晶表示パネルのバックライト装置を構成する場合、多数のＬＥＤ素子を導光板の端面に配置して光をその導光板に入力する構成が一般的である。図４、図５、および図６に、そのような従来のバックライト装置の一例として、特開２００１−４７３７２１号公報（特許文献１）に開示されているバックライト装置の構成を示す。

図４はバックライト装置をＬＣＤパネル側から観察した状態を表し、図５は図４においてバックライト装置のＶ−Ｖ断面を表しており、図６は図５におけるＬＥＤ光源断面の詳細を表している。図５に示すように、ＬＥＤ光源２から導光板１の側面部に入射された光Ｌは、導光板１の出射面１ａと反射面１ｂとの間を全反射を繰り返しながら伝播する。反射面１ｂには拡散反射層あるいは反射用凹凸を所定の密度分布および大きさで形成して、その部分に到達した光が出射面１ａから出射するように構成する。この拡散反射層あるいは反射用凹凸を形成する密度分布、大きさの分布などを適切に設定することにより、出射面全体から一様に照明することが可能になる。

しかしながら、ＬＥＤ光源２から導光板１の端面に有効に光を入射するためには、ＬＥＤ素子から出射される光を導光板１の端面に対応する限定された領域に集中させる必要がある。そのために、図６に示すように、ＬＥＤ素子２を囲むように反射部材を設けてＬＥＤ光源を構成するのが有効である。

図６に示すように、ＬＥＤ光源２は、基板２０２上に実装されたＬＥＤ素子２０１を囲むように略筒状の反射壁２０３が設けられ、反射壁２０３内が透明樹脂材料からなる封止部材２０４によって封止されて構成されている。ＬＥＤ光源２は、ＬＥＤ素子２０１からの光は封止部材２０４を通り、開口部２０５から出射して、導光板１の即端部に入射するように組み付けられる。

さらに、図７、図８、および図９に、さらに複数のＬＥＤ素子を１つの基板上に実装し封止するバックライト装置の一例として、特開２００４−２３５１３９号公報（特許文献２）に開示されている方法も提案され特開２００４−２３５１３９号公報（特許文献２）に開示されているバックライト装置を示す。図７は、図４と同様にバックライト装置をＬＣＤパネル側から観察した状態を表し、図８は図７におけるＬＥＤ光源２のＩＩＶ−ＩＩＶ断面を表し、図８は図８のＬＥＤ光源２におけるＬＥＤ素子３０１から出射された光Ｌの軌跡を表している。

図７に示すように、ＬＥＤアレイモジュール３は、基板３０２上に実装した複数のＬＥＤ素子３０１を封止樹脂３０４で封止して構成されている。ＬＥＤアレイモジュール３は、１つの平面基板上に多数のＬＥＤ素子３０１をマトリクス状に配置して一体的に封止した後に切断することにより効率的に製造できる。このように製造した場合、側面部に反射壁は形成されず封止樹脂が露出する。そのために、図８に示すように、側面部に反射フィルム３０６が配置されている。

なお、図５に示すように、基板２上のＬＥＤ素子１を透明樹脂材料からなる封止部材４によって封止し、これらの封止部材３０４の側面部に筒状の反射フィルム３０６を設置してすることにより封止部材３０４の側面から出射する光を抑制し、開口部３０５からのみ光を出射するように構成できる。

したがって、従来の光源装置を用いて液晶パネルのバックライト装置を構成した場合、ＬＥＤ素子からの光を有効利用できないため、十分な明るさが得られないという課題がある。
特開２００１−４７３７２１号公報 特開２００４−２３５１３９号公報

しかし、図４に示す特許文献１における光源装置（ＬＥＤ光源２）のように、反射壁２０３を有する構造を実現するためには、導光板１の端面に設置される複数個のＬＥＤ素子２０１の各々に対応して反射壁２０３を設置して封止する必要がある。そのために製造や組立て工程が複雑になるという問題がある。また、反射壁２０３には一般に白色の拡散反射材料が用いられるが、１０％程度の光の吸収損失があり、かつ、光の多重反射によって光損失が発生するという問題も有している。

一方、図８に示す特許文献２における光源装置（ＬＥＤアレイモジュール３）は、上述のように、複数個のＬＥＤ素子３０１を一括して封止部材３０４で封止し、これを切断することにより製造することが可能であるため、製造工程を簡略化して効率よく製造することが可能である。しかしながら、側面部に反射フィルム３０６を配しただけでは必ずしも光を有効利用はできない。

また特許文献２における光源装置においては、図９に示すように、ＬＥＤ素子３０１からの光Ｌが封止部材３０４の側面から漏れ光として出射し、これが反射フィルム３０６によって封止部材３０４内に戻る。つまり、封止部材３０４の側面から漏れた光Ｌは反射フィルム３０６によって反射され、この反射光Ｌが封止部材３０４に再入射した後、開口部３０５に達する。しかしながら、開口部３０５では光Ｌは全反射されて外部に出射することはできず、封止部材３０４の側面から反射フィルム３０６によって再度反射され、基板３０２へ向かってしまう。

一般に、封止部材として使用可能な透明樹脂材料の光屈折率は１．５程度である。そして空気との界面での臨界角は約４２°であり、互いに直交する面の一方に空気側から入射した光は他方の面で必ず全反射する。これは空中からの入射光は封止部材内でその入射面法線方向から４２°以上にはなり得ず、したがって、それと直交する面にその法線から４８°以下の角度で入射し得ないからである。このことは、平行平板の側面から入射した光は全反射を繰り返しながら伝播するという導光板のメカニズムからも明らかである。

前記開口部３０５で全反射され、基板３０２に到達した光はその一部が反射されて開口部３０５へ向かうものの、ＬＥＤ素子３０１の電極材料やレジスト材料などに吸収されて損失となる成分が発生する。このように、反射フィルム３０６は封止部材３０４の側方への光、すなわち無効光が外部に漏れるのを完全に防止するものの、反射フィルム３０６で反射された光は必ずしも有効に開口部から出射されないという問題を有する。

この問題は前述の切断の際に三角形状の断面のブレードを用いることにより、その断面が開口面に向かって開く台形状になるように形成し、側面部を傾斜させることにより緩和することが可能になる（特許文献２参照）。しかしながら、実現できる傾斜に限界があり、必ずしも有効に光を取り出すことが出来ないという別の問題を有する。

また、台形状の断面として広い開口面を得るために、平板上にＬＥＤ素子をマトリクス配置する際に、ＬＥＤ素子の実装、配線、あるいは切断の為に必要な間隔よりも大きな間隔で配列する必要が有り、一定の面積に実装し得るＬＥＤの数が制限され生産効率が低下するという更なる問題を有している。

本発明は、従来の光源装置における諸問題を鑑みて、発光素子から側面方向へ出射される光も効率よく有効に利用する光源装置と、当該源装置を用いた高効率で明るいバックライト装置を実現することを目的とする。

上述の目的を実現するために、本発明は所定数の光源から射出される光を所定の方向に導いて出光させる光源装置であって、
透明材料によって、前記光源を基板の実装面上に固定封止して、当該実装面に実質的に平行な対向面と、当該対向面および当該実装面の双方に実質的垂直な側面によって規定される立方体形状に形成された発光ブロックと、
前記対向面と対向する対向入射面と、当該対向入射面に実質的に平行且つ広幅に形成された出射面と、前記側面に対向する入射側面と、当該出射面および当該入射側面と端部とを接続する傾斜側面によって規定される断面形状を有する導光ブロックとを備え、
前記光源かられた光は、少なくともその一部が前記傾斜側面で全反射されて前記出射面に対して全反射しない角度で入射することを特徴とする。

本発明の光源装置によれば、発光素子から側面方向へ出射する光を導光ブロックに設けた傾斜側面で反射して、全反射しない角度で出射面に入射できるので、少ない光量損失で光線を出射面に集中できる。そして、この光源装置をバックライト装置に用いることにより、発光素子からの光を有効に導光板の入射面に導くことが可能になり、効率よく明るいバックライト装置を実現できる。

（第１の実施形態）
図１および図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る光源装置について説明する。なお、図１は光源装置１０を長手方向斜め上からみた状態を表し、図２は光源装置１０の長手方向に垂直な面で切断した状態を表している。光源装置１０は、発光ブロック７および導光ブロック８から構成され、導光ブロック８の出射面８４から出射した光が当る領域を照明するように構成される。

発光ブロック７は、基板７２、発光素子７１、および封止樹脂７４を含む。具体的には、発光ブロック７は、複数の発光素子７１を基板７２の上に直線状に配列実装した後に、封止樹脂７４で封止して略直方体状に形成されている。導光ブロック８は、発光ブロック７の樹脂封止部（封止樹脂７４）に対応する凹部を有し、透明材料から形成された導光ブロック８に被さるようにして光源装置１０を形成されている。

発光素子７１は、好ましくは発光ダイオードであり、基板７２の実装面７７の中心部に固定されている。封止樹脂７４は透明樹脂材料からなり、発光素子７１を覆うように基板７２の実装面に接合上に、封止樹脂７４として形成される。前記封止部材７４は、基板７２の実装面７７に対向すると共に、発光素子７１の光が出射する対向面７５と、前記基板７２の実装面７７と前記対向面７５のそれぞれに垂直である共に互いに平行な２組の側面７６を有する立方体形状に形成される。なお、基板７２は外部のＬＥＤ駆動回路（図示せず）に接続されており、当該ＬＥＤ駆動回路を介して供給される電力によって発光素子７１は駆動されて発光する。

一方、導光ブロック８には、空気層を介して覆い囲むように発光ブロック７の封止部材７４と接し、封止部材７４の対向面７５と対向する対向入射面８１および側面７６にそれぞれ対向するように互いに平行な側面を成す２組の入射側面８２が設けられている。導光ブロック８は、さらに、傾斜側面８３と出射面８４が設けられている。出射面８４は、対向入射面８１と対向すると共に対向入射面８１よりも広幅に形成され、傾斜側面８３は出射面８４の外縁と入射側面８２の下端縁間にそれぞれ対向した斜面として形成されている。つまり、導光ブロック８は四角台形状をなし、その頂面には四角状の凹部が形成されている。そして、導光ブロック８の凹部に発光ブロック７の封止部材７４を空気層を介して嵌め込み合体させて、光源装置１０が構成される。

図２に、光源装置１０において発光素子７１が発光した場合の光線Ｌの軌跡を破線で示すように、発光ブロック７を構成する封止部材７４の対向面７５から外部に出射した光Ｌ１は、対向入射面８１から導光ブロック８に入射した後に出射面８４から外部に出射する。一方、側面７６から封止部材７４の外部に出射した光Ｌ２は、入射側面８２から導光ブロック８内に入射した後に、傾斜側面８３で実質的に全反射されて出射面８４に向かう。出射面８４に到達した光Ｌ２は全反射されることなく、出射面８４を透過し、対向入射面８１に入射した光Ｌ１と共に有効成分として出射する。

なお、発光ブロック７の側面７６の外側に単純に反射材を配した従来の構成では、発光ブロックの側面７６から封止部材７４の内部に回帰された光Ｌは、対向面７５で全反射して基板７２に戻る。しかし、本実施の形態に係る光源装置１０においては、封止部材７４内に回帰された光Ｌは光Ｌ１およびＬ２として導光ブロック８の出射面８４から出射される。

なお、発光ブロック７および導光ブロック８は透明接着剤等で結合して光学接合させても良いし、上述のように空気層を介して接しているだけでもよい。空気層を介して接している場合には、発光ブロック７から側面７６を透過して空気層へと出射する光は空気層が無い場合と同じ軌跡をたどるので空気層の有無により差を生じない。

また、空気層を介した場合に、導光ブロック８の入射側面８２あるいは発光ブロック７の側面７６で全反射する角度で入射する光は、空気層が存在して全反射した場合には発光ブロック７の対向面７５で全反射することなく透過する。そして、通過光は導光ブロック８の対向入射面８２に入射した後に出射面８４からその殆どが発光ブロック７の側面７６で全反射することなく導光ブロック８の内部を透過し、有効光としてその導光ブロック８の出射面８４から出射される。

一方、空気層が存在しないように構成された光源装置１０においては、同様な角度で発光ブロック７の側面部７６に入射して導光ブロック８の入射側面８２を透過した光は傾斜側面８３で全反射して出射面８４から出射する。つまり、光源装置１０は空気層の存在の有無によって、光Ｌの軌跡は多少異なるものの、いずれも出射面８４からの有効出射成分となる。

なお、封止部材７４を先に制作して、導光ブロック８と合体させてもよい。しかし、この場合、封止部材７４と発光素子７１および基板７２とのブロック化の製作が非常に困難である。これに対して、上述のように発光ブロック７を先に制作し、発光ブロック７を導光ブロック８と合体させるようにすれば、発光素子７１を１つの基板７２の上に多数実装した後に一括して封止し、切断するという効率的なプロセスで発光ブロック７を制作できる。また、導光ブロック８も一般的な合成樹脂の射出成形法で量産可能であるため、光源装置１０の制作が効率よく行える。

導光ブロック８の入射側面８２と傾斜側面８３との成す角度θ（図２参照）は、３０°から４５°程度の範囲内であることが望ましい。この角度θが４５°であれば発光素子７１から真横（対向面７５および実装面７７に対して概ね平行な方向）に出射する光Ｌも傾斜側面８３により全反射させることが可能である。しかし、角度θをこの範囲よりに大きくしても光の利用効率の向上は望めず、導光ブロック８のサイズのみが大きくなる。一方、角度θをこの範囲よりも小さく設定することは、導光ブロック８の幅Ｗを小さくするのに有効であるが、あまり小さくすると傾斜側面８３で光が全反射する成分が減少し、効率が低下する。

もちろん、必要または導光ブロック８の小型化の要求などにより、その傾斜側面８３で光が一定量減少されてもよい場合は、一部の光が傾斜側面８３で反射されるようにしてもよい。つまり、角度θは必要に応じて、上述の範囲（３０°から４５°程度）を超えて設定しても良い。

また、導光ブロック８の傾斜側面８３で全反射せずにここを透過する光成分が発生する場合は、この通過光成分も有効に利用するために、傾斜側面８３の外側に反射シートを装着すればよい。これによれば反射シートで反射された光は導光ブロック８の出射面８４で全反射することなく出射可能である。

なお、発光ブロック７およびこれを覆う導光ブロック８の凹部は四角形状に限られるものではなく、五角形状など他の多角形状であっても同様である。また、ＬＥＤ素子３０１は必ずしも複数である必要はなく、光源装置の用途に対して十分な光量が確保できる場合には、１つのＬＥＤ素子３０１で発光ブロック７を構成しても良い。
以上のように、本実施の形態においては、発光素子からの光を有効に出射面に集中させることができるため、光の利用効率が著しく向上された点状（ＬＥＤ素子３０１が１つ）あるいは線状（基板３０２が複数）光源装置が実現している。

（第２の実施の形態）
図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係るバックライト装置について説明する。なお、バックライト装置ＢＬは、上述の第１の実施の形態に係る光源装置１０、導光板１１、反射シート１２、および光学フィルム１３を含む。光源装置１０は導光ブロック８の出射面８４が、導光板１１の入光側端部Ｅと概ね一致するように取り付けられる。つまり、出射面８４は側端部Ｅと平行かつ同一形状であることが好ましい。そして、導光板１１の裏面１１１および出射面１１２には反射シート１２および光学フィルム１３がそれぞれ配置されている。

このように構成されたバックライト装置ＢＬにおいて、光源装置１０から効率良く射出された光Ｌは、側端部Ｅから導光板１１に入射した後に、裏面１１１および出射面１１２の間を反射を繰り返しながら伝播し、その一部が導光板１１の裏面に適宜設けられた散乱反射パターンによって拡散されて出射面１１２から出射する。裏面１１１から漏れ出した光は反射シート１２によって出射面１１２の方向に反射されて、導光板１１の内部に戻される。また、出射面１１２側に設けられる光学フィルム１３は通常拡散フィルムやプリズムシートなどで構成されて、適切な指向性を持つように出射面１１２からの配光を制御する。

上述のように、本実施の形態においては、第１の実施の形態に係る光の利用効率が著しく向上されたて光源装置１０の発光素子７１から出射された光を効率よく導光板１１に導入して効率的で明るいバックライト装置を実現できる。つまり、本実施の形態においては、第１の実施の形態に係る点状あるいは線状光源装置を用いて、光の利用効率の改善された免状光源装置を実現している。

（第３の実施の形態）
上述の本発明の第２の実施の形態にかかるバックライト装置ＢＬの光学フィルム１３上に、液晶表示パネルを配置して当該液晶表示パネルの透過照明として構成することによって、光の利用効率が改善された液晶表示装置を実現できる。

本発明は、ＬＥＤ素子、すなわち発光素子からの光を効率よく利用することが可能であり、液晶表示パネルの光源装置およびバックライト装置に利用できる。

本発明の第１の実施の形態に係る光源装置の斜視図 図１に示した光源装置の断面図 本発明の第２の実施の形態に係るバックライト装置の断面図 従来のバックライト装置を出射側から観察した平面図 図４におけるバックライト装置のＶ−Ｖ断面図 図５における光源装置の拡大断面図 図３に示した物とは異なる従来のバックライト装置を出射側から観察した平面図 図７における入光ＬＥＤアレイモジュールの断面図 図８に示したＬＥＤアレイモジュールにおける光線軌跡の説明図

符号の説明

１ 導光板
１ａ 出射面
１ｂ 反射面
２ ＬＥＤ光源
２０１ ＬＥＤ素子
２０２ 基板
２０３ 反射壁
２０４ 封止部材
２０５ 開口部
３ ＬＥＤアレイモジュール
３０１ ＬＥＤ素子
３０２ 基板
３０４ 封止樹脂
６ 反射フィルム
７ 発光ブロック
７１ 発光素子
７２ 基板
７４ 封止部材
７５ 対向面
７６ 側面
７７ 実装面
８ 導光ブロック
８１ 対向入射面
８２ 入射側面
８３ 傾斜側面
８４ 出射面
１０ 光源装置
１１ 導光板
１１２ 出射面
１２ 反射シート
１３ 光学シート

Claims (3)

1. 所定数の光源から射出される光を所定の方向に導いて出光させる光源装置であって、
   透明材料によって、前記光源を基板の実装面上に固定封止して、当該実装面に実質的に平行な対向面と、当該対向面および当該実装面の双方に実質的垂直な側面によって規定される立方体形状に形成された発光ブロックと、
   前記対向面と対向する対向入射面と、当該対向入射面に実質的に平行且つ広幅に形成された出射面と、前記側面に対向する入射側面と、当該出射面および当該入射側面と端部とを接続する傾斜側面によって規定される断面形状を有する導光ブロックとを備え、
   前記光源かられた光は、少なくともその一部が前記傾斜側面で全反射されて前記出射面に対して全反射しない角度で入射することを特徴とする光源装置。
2. 前記入射側面と傾斜側面とが成す角度は３０°以上かつ４５°以下の範囲で選ばれることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 請求項１に記載の光源装置から出射された光を入射して面状に発光する導光板を備えたバックライト装置であって、当該導光板は、
   入射された光を散乱反射させるパターンを持つ反射面と、
   前記反射面に対向する出射面と、
   前記反射面および前記出射面とを接続する側端部を備え、
   前記側端部は前記導光ブロックの出射面に対向して配置されて、当該出射面から出射される光を前記導光板の内部に入射させ、当該入差しゃれた光は前記反射面と前記出射面との間で反射されながら全面に伝播させると共に前記散乱反射パターンで散乱された一部の光が前記出射面から出射されることを特徴とするバックライト装置。
   
   

Images