JP2008078089A

JP2008078089A - Ｌｅｄ照明装置

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Publication number: JP2008078089A
Application number: JP2006259115A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Mochizuki; 克也望月
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: JP4627287B2

Abstract

【課題】照明に寄与しない無効領域を縮小することで小型化を図ると共に、製造コストを抑制したＬＥＤ照明装置を実現すること。
【解決手段】本発明のＬＥＤ照明装置は、導光板の縁部近傍の下方に基板に実装されたＬＥＤを該ＬＥＤの光軸が導光板に対して垂直になるように配設する。導光板の縁部上面側には、ＬＥＤ１の光軸に対して上方に向かって開いた曲線を光軸の周囲に１８０°回転して得られる回転曲面と、回転曲面から導光板の端部まで直線状に延びる直線状曲面とからなる凹溝部、および、凹溝部に対して等距離に位置する２つの凹部が形成されている。ＬＥＤから導光板に入射した光のうち、回転曲面で全反射した光は直接導光板の中央部に向かって放射状に伝播され、直線状曲面で全反射した光は導光板の外周側面で全反射されて凹部に向かい、凹部で導光板の中央部に向けて放射状に全反射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ照明装置に関するものであり、詳しくは、ＬＥＤと導光板を備えたＬＥＤ照明装置に関する。

従来、ＬＥＤと導光板を組合わせた照明装置には、以下のようなものがある。それは、図１５に示すように、ＬＥＤ素子３１を実装したプリント基板３２を導光板３３の両側の各側面近傍に配設する。そして、各ＬＥＤ素子３１から発せられた光を導光板３３の側面から導光板３３内に入射させ、導光板３３内に入射した光が導光板３３内を伝播されて導光板３３の光入射面に略垂直な面から外部に出射するようにしたものである（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−７９４８８号公報

ところで、上記構成の照明装置は面状光源となるもので様々な用途が考えられるが、例えば液晶表示パネルのバックライトも応用例の１つである。この場合、照明装置の光出射領域以外は照明に寄与しない無効領域で、本来照明機能としては不必要な部分である。特に携帯電話、携帯端末等のいわゆる小型化が要求される携帯型情報機器に搭載される液晶表示モジュールに組込む場合は、照明装置の無効領域によって機器の小型化が制約されことが多々ある。

上記従来の照明装置は、導光板３３の周囲に、ＬＥＤ素子３１を実装したプリント基板３２が配設されるため、その部分が無効領域となって機器の小型化を制約する。また、ＬＥＤ素子３１をプリント基板３２に実装した構成の光源ユニットを導光板３３の周囲複数箇所に配設する場合、ＬＥＤ素子３１およびプリント基板３２の使用数量が増加して製造コストが上昇すると共に、無効領域も拡大するため小型化が益々困難になる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、照明に寄与しない無効領域を縮小することで小型化を図ると共に、製造コストを抑制したＬＥＤ照明装置を実現することである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、透光性材料からなる導光板の縁部近傍の下方にＬＥＤを、該ＬＥＤの光軸が前記導光板に対して略垂直になるように配設してなるＬＥＤ照明装置であて、前記導光板の、前記ＬＥＤと対向する面と反対面側に、前記導光板内における前記ＬＥＤの光軸上の位置から立ち上がって前記ＬＥＤの放射方向に向かって前記光軸から離れる方向に開いた曲線を前記光軸の周りに１８０°回転して得られる回転曲面と、前期回転曲面から前記導光板の端部まで直線状に延びる直線状曲面とからなる凹溝部、および、前記凹溝部に対して該凹溝部から略等距離にある前記縁部近傍に位置する一対の凹部を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記曲線は前記ＬＥＤの発光部の位置近傍を仮想焦点とし、該仮想焦点を通り前記光軸に直交する線を主軸とする放物線あるいは双曲線のいずれか一方であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２のいずれか１項において、前記凹部は、前記ＬＥＤから発せられて前記導光板内に入射した光のうち、前記凹溝部と前記凹部の間に位置する前記導光板の外周側面で全反射されて前記凹部に至った光が前記導光板の内側に向かって放射状に全反射されるような形状を有していることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項３において、前記凹部は、該凹部で放射状に全反射された光の光路を前記導光板の外側に向かって延長した延長線が前記導光板外の略一点に集束するような形状を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれか１項において、前記導光板は複数の前記凹溝部と、前記凹溝部と同数あるいは前記凹溝部よりも多い凹部を有することを特徴とするものである。

本発明のＬＥＤ照明装置は、導光板の縁部近傍の下方にＬＥＤが配設されると共に、導光板の、前記ＬＥＤと対向する面と反対面側には、ＬＥＤの上方近傍の位置に１８０°の回転曲面と該回転曲面から導光板の端部まで直線状に延びる直線状曲面とからなる凹溝部、および、凹溝部に対して該凹溝部から略等距離にある縁部近傍に位置する一対の凹部を有している。

そして、ＬＥＤから発せられて導光板内に入射した光りは回転曲面および直線状曲面で全反射され、回転曲面で全反射された光は直接導光板の中央部に向かって放射状に伝播され、直線状曲面で全反射された光は導光板の外周側面で全反射されて凹部に向かい、凹部で導光板の中央部に向けて放射状に全反射される。

そのため、ＬＥＤ光源から発せられた光が効率良く導光板内に入射すると共に、導光板内に入射した光は全方向に向かって伝播される、その結果、少数のＬＥＤ光源によって高輝度で、且つ輝度分布の均一性の良好な照明装置を廉価なコストで実現することができる。

また、導光板の下方にＬＥＤ光源を配設するようにしたために導光板の周囲から備品が取り除かれ、無効領域が縮小された分、小型化が実現できる。

更に、複数のＬＥＤ光源を配設する場合、１枚のプリント基板上に同時に複数個のＬＥＤを実装することによってプリント基板の使用数量が減少して材料費を低減することができる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１４を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明のＬＥＤ照明装置の基本構成を示す部分斜視図、図２は図１の平面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は同じく図２のＢ−Ｂ断面図、図５は図１の平面図である。本発明のＬＥＤ照明装置は図１のように、光源となるＬＥＤ１と、ＬＥＤ１から発せられた光を伝播しながら光路を制御する導光板２を備えており、導光板２の縁部近傍の下方に、基板３に実装されたＬＥＤ１が配設されている。このとき、導光板２はＬＥＤ１の光軸Ｘに対して垂直となるように配置されている。

導光板２は透光性材料、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の射出成形によって形成され、下面（ＬＥＤ１と対向する側の面）４の全面が平坦面からなっている。一方、導光板２の上面５側には、導光板２内における前記ＬＥＤ１の光軸Ｘ上の位置から立ち上がって前記ＬＥＤ１の放射方向に向かって前記光軸Ｘから離れる方向に開いた曲線を前記光軸Ｘの周りに１８０°回転して得られる回転曲面、具体的には図１および図３のようにＬＥＤ１の発光部の位置Ｘｐ近傍を仮想焦点とし、仮想焦点Ｘｐを通り光軸Ｘに直交する線を主軸Ｙとする放物線の一部を光軸Ｘの周囲に１８０°回転して得られる回転放物面６と、回転曲面から導光板２の端部まで直線状に延びる直線状曲面、具体的には回転放物面６から導光板２の端部まで直線状に延びる直線状放物面７とからなる凹溝部８が形成されている。

更に、導光板２には、図１および図２のようにＬＥＤ１の光軸Ｘを含み凹溝部８の延長方向に垂直な面よりも内側の縁部上面側に、内側に凹んだ２つの凹部９が形成されている。なお、導光板２の、ＬＥＤ１の光軸Ｘを含み凹溝部８の延長方向に垂直な面よりも外側の外形、および、導光板２に形成された凹部９の形状については、以下に述べる光学系の中で詳細に説明する。

次に、上記構成のＬＥＤ照明装置の光学系について詳細に説明する。まず、光源となるＬＥＤ１から発せられた光は、ＬＥＤ１に対向する導光板２の平坦な下面４に至る。ここで、導光板２の下面４に至った光を、ＬＥＤ１の光軸Ｘを含み凹溝部８の延長方向に垂直な面より内側（以下、内側領域と呼称する）に至った光と外側（以下、外側領域と呼称する）に至った光とに分け、夫々の光の光路について説明する。

ＬＥＤ１から発せられて導光板２の下面４の内側領域に至った光は、下面４を介して導光板２内に入射し、導光板２内を伝播されて凹溝部８の回転放物面６に至る。回転放物面６はＬＥＤ１の発光部の位置Ｘｐ近傍を仮想焦点としているため、ＬＥＤ1から発せられて導光板２の回転放物面６に至った光は、図３のように回転放物面６で全反射されて下面４に略平行な平行光となり、図２のようにＬＥＤ１の光軸Ｘを中心とする放射状に導光板２内を伝播される。

一方、ＬＥＤ１から発せられて導光板２の下面４の外側領域に至った光は、下面４を介して導光板２内に入射し、導光板２内を伝播されて凹溝部８の直線状放物面７に至る。直線状放物面７に至った光は、図４および図５のように直線状放物面７で全反射されて外側領域にある導光板２の外周側面１０に至る。導光板２の外周側面１０を形成する外側領域の外形は、図６に示すようにＬＥＤ1から発せられて導光板２の外周側面１０に至った光線Ｌ1〜Ｌｎの夫々の入射角θ1〜θｎが臨界角以上となる平面Ｐ１〜Ｐｎを連続的につなぎ合わせて形成された二次曲面で構成されている。

従って、この外側領域の外形を変えることによって、外側領域の外周側面１０で全反射された光の向かう方向を制御することができる。本実施形態では、図５のように外周側面１０で全反射された光線が導光板２内を伝播されて内側領域に形成された凹部９に向かうような形状に設定されている。

凹部９の形状は、図７に示すようにＬＥＤ1から発せられて導光板２の外周側面１０で全反射されて凹部９に至った光線Ｌ′1〜Ｌ′ｎの夫々の入射角θ′1〜θ′ｎが臨界角以上となる平面Ｐ′１〜Ｐ′ｎを連続的につなぎ合わせて形成された二次曲面で構成されている。

このとき、導光板２の外周側面１０を形成する外側領域の外形と凹部９の形状との組合わせを考慮することによって、図５のように凹部９の外側の所定の位置に焦点Ｆ１を想定し、凹部９で全反射された光線があたかも焦点Ｆ１から発せられたかのような光路をとるようにすることができる。この場合の焦点Ｆ１は仮想光源として光学的な働きをするものである。

以上の説明は、1つのＬＥＤ１と、該ＬＥＤ１と光学的な関係を有する、導光板２に形成された１つの凹溝部８と２つの凹部９によって構成される光学系についての説明であったが、導光板２の縁部近傍の下方に、基板３に実装されたＬＥＤ１を所定の間隔で複数個配設した構成にすることも可能である。

この場合の導光板には、各ＬＥＤの光軸Ｘ近傍の位置に凹溝部が形成されると共に、互いに隣接する凹溝部から略等距離にある縁部の位置に凹部が形成される。すると、図５に示すように、各凹部９には互いに隣接する２つのＬＥＤ１から発せられて夫々導光板２内を伝播された２系統の光が到達し、凹部９で全反射された２系統の光は導光板２の中央部に向かって夫々放射状に伝播される。

このとき、上述したように各ＬＥＤ１に対して導光板２の外周側面１０を構成する外側領域の外形と凹部９の形状との組合わせを考慮することによって、凹部９の外側の所定の位置に２つの焦点Ｆ１、Ｆ２を想定し、凹部９で全反射された光線があたかも焦点Ｆ１と焦点Ｆ２の２箇所から発せられたかのような光路をとるようにすることができる。この場合の焦点Ｆ１、Ｆ２は仮想光源として光学的な働きをするものである。なお、図５においては1つのＬＥＤのみが記載されており、他のＬＥＤは記載されていない。

以下、複数個のＬＥＤを配設したときのＬＥＤ照明装置の具体的な構成を図８〜図１３によって示す。図８のものは、導光板２の外形が略円形状を有し、上面側縁部の対向する位置の２箇所に凹溝部８が形成され、凹溝部８同士を結ぶ方向に直角な方向の縁部の２箇所（互いに隣接する凹溝部８から略等距離にある縁部の位置）に凹部９が形成されたものである。

図９のものは、導光板２の外形が図８と同様に略円形状を有し、上面側縁部の中心角１２０°間隔の位置の３箇所に凹溝部８が形成され、前記凹溝部８に対して中心角を６０°ずらした、中心角１２０°間隔の位置の３箇所（互いに隣接する凹溝部８から略等距離にある縁部の位置）に凹部９が形成されたものである。

図１０のものは、導光板２の外形が図８および図９と同様に略円形状を有し、上面側縁部の中心角９０°間隔の位置の４箇所に凹溝部８が形成され、前記凹溝部８に対して中心角を４５°ずらした、中心角９０°間隔の位置の４箇所（互いに隣接する凹溝部８から略等距離にある縁部の位置）に凹部９が形成されたものである。

図１１のものは、導光板２の外形が略矩形状を有し、上面側縁部の対向する辺の中央部の位置の２箇所に凹溝部８が形成され、凹溝部８同士を結ぶ方向に直角な方向の縁部の２箇所（互いに隣接する凹溝部８から略等距離にある縁部の位置）に凹部９が形成されたものである。

図１２のものは、導光板２の外形が略三角形を有し、上面側縁部の各辺の中央部の位置の３箇所に凹溝部８が形成され、略三角形の各頂点となる縁部の３箇所（互いに隣接する凹溝部８から略等距離にある縁部の位置）に凹部９が形成されたものである。

図１３のものは、導光板２の外形が図１１と同様に略矩形状を有し、上面側縁部の各辺の中央部の位置の４箇所に凹溝部８が形成され、略矩形の各頂点となる縁部の４箇所（互いに隣接する凹溝部８から略等距離にある縁部の位置）に凹部９が形成されたものである。

以上６つのＬＥＤ照明装置のいずれにおいても、夫々の凹溝部８の下方には図示しないがＬＥＤが配設されている。

なお、上述の説明では、導光板２の上面側には、ＬＥＤ１の発光部の位置Ｘｐ近傍を仮想焦点とし、仮想焦点Ｘｐを通り光軸Ｘに直交する線を主軸Ｙとする放物線の一部を光軸Ｘの周囲に１８０°回転して得られる回転放物面５が形成されているとしたが、必ずしも回転放物面とすることのみに限定されるものではなく、仮想焦点を上記回転放物面と一にする回転双曲面等とすることも可能である。

また、導光板２の回転曲面で反射された光は、必ずしも導光板２に平行な平行光となる必要はなく、回転曲面を例えば回転双曲面として、図１４にように導光板２の上面５および下面４で全反射しながら導光板２内を伝播するような光路を辿っても良い。

更に、凹部９は導光板２の、ＬＥＤ１の光軸Ｘを含み凹溝部８の延長方向に垂直な面よりも内側の縁部上面側に形成されているとしているが、必ずしもこの位置に限定されるものではなく、光軸Ｘを含み凹溝部８の延長方向に垂直な面上の縁部上面側あるいは光軸Ｘを含み凹溝部８の延長方向に垂直な面より外側の縁部上面側にあっても問題はない。つまり、導光板２の形状、導光板２の外周側面１０を構成する外側領域の外形、ＬＥＤ１の位置関係および光学系等を考慮して決められるものである。

以上、実施形態および具体的な構成について説明したように、本発明のＬＥＤ照明装置では導光板の下方にＬＥＤ光源を配設するようにしたために導光板の周囲から備品が取り除かれ、無効領域が縮小された分、小型化が実現できる。

また、複数のＬＥＤ光源を配設する場合、１枚のプリント基板上に同時に複数個のＬＥＤを実装できるためプリント基板の使用数量が減少して製造コストを低減することができる。

また、ＬＥＤ光源から発せられた光を効率良く導光板内に入射させることができるために光損失が少なく、且つ導光板内に入射した光によって１つのＬＥＤ光源に対して２つの仮想光源が想定できるためにＬＥＤ光源の数を倍増したと同様の光学的効果が得られると共に、導光板内における光分布の均一性を確保することが可能となる。

よって、少数のＬＥＤ光源によって高輝度で、且つ輝度の均一性の良好な照明装置を廉価なコストで実現することができる。

本発明のＬＥＤ照明装置は、液晶表示パネルのバックライトの他、薄型イルミネーションランプ、看板照明、サイン照明等のバックライト全般に対して活用できる。

本発明のＬＥＤ照明装置に係わる実施形態の部分斜視図である。図１の平面図である。図２のＡ−Ａ断面図である。図２のＢ−Ｂ断面図である。図１の平面図である。図５の部分拡大図である。図５の他の部分の部分拡大図である。本発明のＬＥＤ照明装置の構成例を示す平面図である。本発明のＬＥＤ照明装置の他の構成例を示す平面図である。本発明のＬＥＤ照明装置の他の構成例を示す平面図である。本発明のＬＥＤ照明装置の他の構成例を示す平面図である。本発明のＬＥＤ照明装置の他の構成例を示す平面図である。本発明のＬＥＤ照明装置の他の構成例を示す平面図である。図２のＡ−Ａ断面図である。従来のＬＥＤ照明装置の平面図である。

符号の説明

１ＬＥＤ
２導光板
３基板
４下面
５上面
６回転放物面
７直線状放物面
８凹溝部
９凹部
１０外周側面

Claims

透光性材料からなる導光板の縁部近傍の下方にＬＥＤを、該ＬＥＤの光軸が前記導光板に対して略垂直になるように配設してなるＬＥＤ照明装置であて、前記導光板の、前記ＬＥＤと対向する面と反対面側に、前記導光板内における前記ＬＥＤの光軸上の位置から立ち上がって前記ＬＥＤの放射方向に向かって前記光軸から離れる方向に開いた曲線を前記光軸の周りに１８０°回転して得られる回転曲面と、前期回転曲面から前記導光板の端部まで直線状に延びる直線状曲面とからなる凹溝部、および、前記凹溝部に対して該凹溝部から略等距離にある前記縁部近傍に位置する一対の凹部を有することを特徴とするＬＥＤ照明装置。
前記曲線は前記ＬＥＤの発光部の位置近傍を仮想焦点とし、該仮想焦点を通り前記光軸に直交する線を主軸とする放物線あるいは双曲線のいずれか一方であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
前記凹部は、前記ＬＥＤから発せられて前記導光板内に入射した光のうち、前記凹溝部と前記凹部の間に位置する前記導光板の外周側面で全反射されて前記凹部に至った光が前記導光板の内側に向かって放射状に全反射されるような形状を有していることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
前記凹部は、該凹部で放射状に全反射された光の光路を前記導光板の外側に向かって延長した延長線が前記導光板外の略一点に集束するような形状を有することを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ照明装置。
前記導光板は複数の前記凹溝部と、前記凹溝部と同数あるいは前記凹溝部よりも多い凹部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。