JP2010080401A - 面状照明装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面が凹面である矩形状の光射出面、この光射出面の対向する2つの長辺に配置される2つの光入射面、光入射面から光射出面の中央に向かうに従って厚さが増す、その内部に光散乱粒子を含む導光板と、前記光入射面に対向して配置された2つの光源と、前記光源と前記光入射面との間の距離を一定にして固定し一体化する固定手段と、前記固定手段によって一体化された前記光源および前記導光板を収納する筐体と、前記光源の長手方向における伸縮を吸収するための、前記光源を前記導光板の前記光入射面に直交する方向に沿って摺動させるすべり機構とを有することを特徴とする面状照明装置。
【選択図】図13
Description
しかしながら、直下型のバックライトユニットでは、光量分布を均一にするために、液晶表示パネルに対して垂直方向の厚みが30mm程度必要であり、これ以上の薄型化が困難であった。
このような、導光板を用いたバックライトユニットとしては、透明樹脂に光を散乱させるための散乱粒子を混入させた導光板を用いる方式(例えば、特許文献1〜4参照)のバックライトユニットが提案されている。
また、特許文献2には、光散乱導光体と、光散乱導光体の光取出面側に配置されたプリズムシートと、光散乱導光体の裏面側に配置された反射体とを備えた面光源装置が記載されている。また、特許文献3には、プリズム列状の繰り返し起伏を有する光入射面と、光拡散性を与えられた光射出面を備えた板状の光学材料からなる光出射方向修正素子を備えた液晶ディスプレイが記載され、特許文献4には、内部に散乱能を与えられた光散乱導光体と、前記光散乱導光体の端面部から光供給を行う光供給手段を備えた光源装置が記載されている。
また、光入射面とは反対側の端部に反射部材を配置し、入射した光を多重反射させて光射出面から射出させる方法もあるが、大型化するためには導光板を厚くする必要があり、重くなり、コストも高くなる。また、光源の写りこみが生じ、輝度むらとなるという問題もある。
この輝度むらを平坦にするためには、散乱微粒子の濃度を下げて先端からの漏れ光を増やす必要があり、結果として利用効率の低下を生じ、また、輝度も低下するという問題があった。例えば、同一条件で、散乱微粒子濃度を0.10wt%とすれば、図19に点線で示すように、輝度むらを大幅に低減できるが、輝度が低下し、光利用効率も43%に低下するという問題があった。
さらに、大型の液晶テレビなどの大型ディスプレイに求められる光射出面上の明るさの分布は、画面の中央部付近が周辺部に比べて明るい分布、いわゆる中高な分布、例えば釣鐘状の分布である。しかしながら、散乱微粒子が分散した平板形状の導光板では、散乱微粒子の濃度を下げて平坦な明るさの分布を得ることはできるが、中高な明るさの分布を実現することはできないという問題があった。
また、前記すべり機構は、前記光源の被ガイド部が挿通される溝と、前記光源の位置を伸縮前の位置に戻す方向に付勢するバネ材とにより構成されるものであることが好ましい。
また、前記すべり機構は、前記光源の被ガイド部が挿通されるリニアベアリングガイドと、前記光源の位置を伸縮前の位置に戻す方向に付勢するバネ材とにより構成されるものであることが好ましい。
また、前記導光板は、前記光射出面が前記傾斜面側に凸の曲面で構成され、前記光射出面の曲率半径が55000mm以上、120000mm以下であり、前記湾曲部の曲率半径が10000mm以上、55000mm以下であることも好ましい。
なお、以下の説明においては、導光板の2辺に光源からの光を入射させる2辺入射方式の面状照明装置を代表例とするが、本発明はこれに限定されないのはいうまでもないことである。
図1は、本発明に係る面状照明装置を備える液晶表示装置の概略を示す斜視図であり、図2は、図1に示した液晶表示装置のII−II線断面図である。図3は、図2に示す面状照明装置(以下「バックライトユニット」ともいう)の光源部近傍の拡大図である。図4(A)は、図2に示す面状照明装置の導光板およびその2辺に配置される光源を示す部分省略平面図であり、図4(B)は、(A)のB−B線断面図である。
駆動ユニット14は、液晶表示パネル12内の透明電極に電圧をかけ、液晶分子の向きを変えて液晶表示パネル12を透過する光の透過率を制御する。
また、図1に示すように、筐体40の下部筐体42(図2参照)の裏側には、光源28に電力を供給する複数の電源を収納する電源収納部49が取り付けられている。
以下、バックライトユニット20を構成する各構成部品について説明する。
ここで、導光板30と光源28との光軸距離とは、図4(B)に示すように、光源28の光射出面と導光板30の光入射面(30d、30e)との間の距離cをいう。また、導光板30と光源28との光軸垂直距離とは、導光板30と光源28の導光板の厚さ方向に対するそれぞれの光軸間の距離をいう。
図5(A)は、図1及び図2に示す面状照明装置20の光源28の概略構成を示す概略斜視図であり、図5(B)は、図5(A)に示す光源28の断面図であり、図5(C)は、図5(A)に示す光源28を構成する1つのLED(発光ダイオード)チップ50のみを拡大して示す概略斜視図である。
図5(A)に示すように、光源28は、複数のLEDチップ50と、光源支持部52とを有する。
つまり、LEDチップ50の発光ダイオードの表面から射出された青色光が蛍光物質を透過すると、蛍光物質が蛍光する。これにより、LEDチップ50から射出された青色光が透過すると、発光ダイオードから射出された青色光と蛍光物質が蛍光することで射出される光とで白色光を生成され、射出される。
ここで、LEDチップ50としては、GaN系発光ダイオード、InGaN系発光ダイオード等の表面にYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)系蛍光物質を塗布したチップが例示される。
ここで、上述のアレイ基板54は、銅やアルミニウム等の熱伝導性の良い金属で形成されており、LEDチップ50から発生する熱を吸収し、外部に放散させるヒートシンクとしての機能も有する。
光源支持部52に、複数のフィン56を設けることで表面積を広くすることができ、かつ、放熱効果を高くすることができる。これにより、LEDチップ50の冷却効率を高めることができる。
なお、本実施形態では、光源支持部52のアレイ基板54をヒートシンクとして用いたが、LEDチップの冷却が必要ない場合は、ヒートシンクに代えて放熱機能を備えない板状部材をアレイ基板として用いてもよい。
LEDチップ50を長方形形状とすることにより、大光量の出力を維持しつつ、薄型な光源とすることができる。光源を薄型化することにより、面状照明装置を薄型にすることができる。また、LEDチップの配置個数を少なくすることができる。
図6は、導光板30の形状を示す概略斜視図である。図7(A)は、導光板30の形状を表す断面図であり、図7(B)は、図7(A)に示す導光板30の部分拡大断面図である。
導光板30は、図6および図7に示すように、表面が凹面である略矩形形状の平坦な光射出面30aと、この光射出面30aの両端に、光射出面30aに対してほぼ垂直に形成された2つの光入射面(第1光入射面30dと第2光入射面30e)と、光射出面30aの反対側、つまり、導光板の背面側に位置し、第1光入射面30dおよび第2光入射面30eに並行で、光射出面30aを2等分する2等分線α(図1,図4参照)を中心軸として互いに対称で、光射出面30aに対して所定の角度で傾斜する2つの傾斜面(第1傾斜面30bと第2傾斜面30c)と、光射出面30aの光入射面が形成されていない側の両端(光射出面30aと光入射面との交線に直交する2つの辺)に、光出射面30aに対して略垂直に形成された2つの側面(第1側面30fと第2側面30g)とを有している。2つの傾斜面(第1傾斜面30bと第2傾斜面30c)との接合部分には、曲率半径Rの湾曲部30hが形成され(図7(B)参照)、輝線等の輝度むらの発生を防止している。
光射出面30aおよび湾曲部30hの曲率半径を上記範囲とすることで、導光板30の光射出面30aを反射板側に凸となる凹面とした場合でも、好適に傾斜面30bと湾曲部30hとの接続部における湾曲部30hの接線と、接続部を通り光入射面30aに平行な直線と光射出面30aとの交点における光射出面30aの接線とのなす角を光射出面が平面である場合と同等にでき、導光板30の奥まで光を伝播させることができる。
また、湾曲部30hの曲率半径は、光射出面が平面で湾曲部以外の形状が同じである導光板の湾曲部の曲率半径よりも、曲率半径を小さくすることが好ましい。
また、湾曲部30hの曲率半径以外の各種寸法、粒子径、粒子濃度は、上述した範囲と同様の範囲とすることが好ましい。
光射出面30と傾斜面30b(または傾斜面30c)とのなす角を0.1°以上、0.8°以下とすることで光入射面から入射した光をより奥まで到達させることができる。
上記2つのなす角の角度が等しい形状の導光板とすることで、導光板内部での光線の反射角度を光射出面が平坦な導光板と同等とし、導光板に入射された光の光路を光射出面が平坦な導光板と同等とすることができる。これにより、光射出面を曲面とした場合も出射光の強度分布を光射出面が平坦な導光板と同様の強度分布とすることができる。さらに、平坦な導光板と同様の強度分布とすることができることで、光射出面から光の利用効率を高くでき、中高率が良好な光を射出することができる。
具体的には、傾斜面と湾曲部との接続部における湾曲部の接線と、接続部を通り光入射面に平行な直線と光射出面との交点における光射出面の接線とのなす角は、基準とした光射出面を平坦とした場合の導光板の光射出面に平行な線と、湾曲部と傾斜面との接続部における前記湾曲部の接線とのなす角よりも大きくまたは等しくすることで、光の利用効率や中高率を基準とした光射出面を平坦とした場合の導光板と同等にすることができる。
例えば、光射出面が平面、光射出面のサイズが42インチで、導光長Lを550mmとし、最小厚さ(入光部の厚み)を2mmとし、光射出面の曲率半径を75,000mmとし、傾斜面のテーパ角を、0.42°とした。また、湾曲部の曲率半径を、15,000mmとして、導光板中央部からの距離200mmの位置を傾斜面と湾曲部との接続部とし、最大厚さ(中央部の厚み)を、3.9mmとした光利用効率が60%、中高率が87%の導光板を基準にして、導光長Lを550mmとし、最小厚さ(入光部の厚み)を2mmとし、光射出面の曲率半径を75,000mmとし、傾斜面のテーパ角(つまり、光射出面と光入射面の接線を結んだ平坦面と平行な面と傾斜面とのなす角)を0.62°(ここで、光射出面の曲率半径75,000mmの端面部における傾斜角度は0.2°であるので、光入射面の端部における光射出面の接線と傾斜面とのなす角は、0.42°となる。)とした。また、湾曲部の曲率半径を、10,000mmとして、導光板中央部からの距離200mmの位置を傾斜面と湾曲部との接続部とし最大厚さ(中央部の厚み)を、3.9mmとした導光板とし、傾斜面30b(または30c)と湾曲部30hとの接続部における湾曲部30hの接線と、接続部を通り光入射面に平行な直線と光射出面との交点における光射出面の接線とのなす角を、基準とした導光板の光射出面に平行な線と、湾曲部と傾斜面との接続部における前記湾曲部の接線とのなす角よりも大きくすることで、傾斜面および湾曲部を内部での全反射成分がより奥に届きやすい角度することができ、出射光の強度分布を、より中高にでき、光の利用効率や中高率を基準とした光射出面を平坦とした場合の導光板と同等(つまり、光利用効率を60%、中高率を87%)にすることができる。
また、光射出面30aの第1光入射面30dと第2側面30gとが交わる角隅30j、および第2光入射面30eと第2側面30fとが交わる角隅30lのそれぞれの内側近傍には、それぞれ、導光板30を固定部材31aに連結するための、光入射面30d、30eに平行な方向に長い第1長穴62a、および第2長穴62cが設けられている。また、導光板30の背面側における第1長穴62a、および第2長穴62cに対応する位置にそれぞれ第1長穴62b、および第2長穴62dが設けられている。
また、第1長穴62aが設けられている各角隅30jの内側近傍には、第1長穴62aに近接して、導光板30を筐体40の上部筐体42および下部筐体44に連結するための、光入射面30dに平行な方向に長い第3長穴63aが設けられている。
第1傾斜面30bおよび第2傾斜面30cは、2等分線αに対して線対称であり、光射出面30aに対し対称に傾斜している。湾曲部30hも、2等分線αに対して線対称に湾曲している。導光板30は、第1光入射面30dおよび第2光入射面30eから中央に向かうに従って厚さが厚くなっており、中央部の2等分線αに対応する部分、すなわち湾曲部30hの中央部分で最も厚く(tmax)、両端部の2つの光入射面(第1光入射面30dと第2光入射面30e)で最も薄く(tmin)なっている。
すなわち、導光板30の断面形状は、2等分線αを通る中心軸に対して線対称である。
その理由は、最小厚さが小さ過ぎると、光入射面30dおよび30eが小さくなり過ぎて、光源28からの光入射が少なくなり、光射出面30aから十分な輝度の光を射出することができないし、最小厚さが大き過ぎると、最大厚さが厚くなり過ぎ、重量が重すぎて液晶表示装置などの光学部材として適さないし、光が突き抜けて透過してしまうために、光利用効率が55%以上を満たさないからである。
また、導光板30の厚みが最も厚い湾曲部30hの中央の最大厚みtmaxは、1.0mm以上、6.0 mm以下であるのが好ましい。
その理由は、最大厚さが厚くなり過ぎる場合、重量が重すぎて液晶表示装置などの光学部材として適さないし、光が突き抜けて透過してしまうために、光利用効率が55%以上を満たさないからであり、最大厚さが薄くなり過ぎる場合、中央部の湾曲部30hの曲率半径Rが大きすぎて成形に適さないし、平板の場合と同様に、中高な輝度分布を達成する粒子濃度では、光利用効率が55%以上を満たさないし、逆に、光利用効率が55%以上を達成する粒子濃度では 中高分布を実現できないからである。
その理由は、テーパが大き過ぎる場合、最大厚さが必要以上に大きくなりすぎてしまうし、必要以上に中高な分布になりすぎてしまうからであり、テーパが小さ過ぎる場合、最小厚さが小さすぎる場合と同様に、湾曲部30hの曲率半径R(以下「中央部半径R」ともいう。)が大きすぎて成形に適さないし、光利用効率が55%以上を達成する粒子濃度では中高分布を実現できないし、逆に、平板と同様に、中高な輝度分布を達成する粒子濃度では光利用効率が55%以上を満たさないからである。
その結果、湾曲部30hの曲率半径Rは、1,500mm以上、45,000mm以下であるのが好ましい。
なお、図7(A)及び(B)に示すように、傾斜背面30bおよび30cのテーパ角をθとするとき、LR=2Rsinθで表され、最大厚みtmax=tmin−[(LR/2)tanθ+Rcosθ−R]で表され、テーパ角θ=tan−1[(tmax−tmin)/(L/2)]で表される。
また、傾斜背面30bおよび30cの中央の接合部分を湾曲部30hとして滑らかに接合することにより、中央の接合部分にできる帯むらを、均一あるいは中高な、いわゆる釣鐘状の分布とすることができる。
図7に示す導光板において、最小厚みtminおよび導光長Lは一定で、最大厚みtmaxを変えて傾斜背面のテーパ角θを種々変更したときの、光利用効率および面内均一性を、シミュレーションにより求めた結果を表1に示す。ここで、面内均一性[%]は、導光板の光射出面から射出される光の最小輝度と最大輝度との比であり、最小輝度/最大輝度で表される。
表1および、図8に示すように、導光板を逆楔形状にすることによって、光の利用効率を維持しながら面内均一性を改善できることがわかる。さらに、テーパ角θを0.1°以上、0.8°以下とすることで、光利用効率は同等以上としながら面内均一性をより高くすることができることがわかる。
図4(A)および(B)に示す構成の導光板30を用い、22インチサイズの導光板30の最大厚さ[mm]および最小厚さ[mm]を変えてテーパ[°]を変更したときの、光利用効率[%]、および光射出面30aから射出される光の輝度分布を求め、光射出面30aの周辺部、すなわち光入射面30dおよび30eの近傍から射出する光の輝度に対する光射出面30aの中央部から射出する光の輝度の割合を示す光射出面30aの輝度分布の中高度合[%]を求めた。なお、テーパ角[°]以外のパラメータはいずれも本発明の要求する好適な限定範囲を満足する。
なお、本発明の導光板30に分散させる散乱微粒子の最適な粒径選択については、波長依存性の観点に加え、以下の点をも考慮するのが好ましい。
まず、単一の粒子による散乱光強度分布(角度分布)においては、前方0〜5°に散乱する光が90%以上となる条件を満たすようにする必要がある。なぜならば、逆楔形状の本発明の導光板30は、導光板30の側面の第1光入射面30dおよび第2光入射面30eから最低でも140mm以上の距離、片面入射の場合は、光入射面から最低280mm以上の距離を導光する必要があるからであり、前方0〜5°に散乱する光が90%未満では、導光板30の奥まで光が導光できないからである。
一方、散乱微粒子の粒径が、12.0μmより大きいと、すなわち、12.0μm超では、粒子の前方散乱性が強くなりすぎるため、系内の平均自由行程が大きくなり、散乱回数が減少することから、入射端付近で光源(LED)間の輝度むら(ホタルムラ)が現れてしまうため、上限値は、12.0μmに制限される。
その理由は、粒子濃度が高すぎる場合、平板と同様の現象となるため、中高な輝度分布を実現できないからであり、粒子濃度が低すぎる場合、光が突き抜けて透過してしまうために、光利用効率が55%以上を満たさないからである。
なお、上述した例では、単一粒径の散乱微粒子を用いているが、本発明はこれに限定されず、複数粒径の散乱微粒子を混合して用いても良い。
具体的には、導光長Lが280mm≦L≦320mmである場合には、散乱粒子の濃度を0.1wt%以上0.76wt%以下とする必要がある。
また、導光板の導光長を画面サイズ22インチ対応のL=280mmとし、散乱粒子の粒子径を4.5μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.1wt%以上、0.32wt%以下とすることがより好ましく、0.14wt%とすることが最も好ましい。また、散乱粒子の粒子径を7.0μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.14wt%以上、0.5wt%以下とすることがより好ましく、0.21wt%とすることが最も好ましい。さらに、散乱粒子の粒子径を12.0μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.25wt%以上、0.76wt%以下とすることがより好ましく、0.35wt%とすることが最も好ましい。
また、導光板の導光長を画面サイズ37インチ対応のL=480mmとし、散乱粒子の粒子径を4.5μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.02wt%以上、0.085wt%以下とすることがより好ましく、0.047wt%とすることが最も好ましい。また、散乱粒子の粒子径を7.0μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.03wt%以上、0.12wt%以下とすることがより好ましく、0.065wt%とすることが最も好ましい。さらに、散乱粒子の粒子径を12.0μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.06wt%以上、0.22wt%以下とすることがより好ましく、0.122wt%とすることが最も好ましい。
また、導光板の導光長を画面サイズ42インチ対応のL=560mmとし、散乱粒子の粒子径を4.5μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.015wt%以上、0.065wt%以下とすることがより好ましく、0.035wt%とすることが最も好ましい。また、散乱粒子の粒子径を7.0μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.02wt%以上、0.09wt%以下とすることがより好ましく、0.048wt%とすることが最も好ましい。さらに、散乱粒子の粒子径を12.0μmとする場合は、散乱粒子の濃度を0.04wt%以上、0.16wt%以下とすることがより好ましく、0.09wt%とすることが最も好ましい。
また、導光板の導光長を画面サイズ52インチ対応のL=660mmとし、散乱粒子の粒子径を4.5μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.010wt%以上0.050wt%以下とすることがより好ましく、0.025wt%とすることが最も好ましい。また、散乱粒子の粒子径を7.0μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.015wt%以上0.060wt%以下とすることがより好ましく、0.034wt%とすることが最も好ましい。さらに、散乱粒子の粒子径を12.0μmとする場合は、散乱粒子の濃度を0.030wt%以上0.120wt%以下とすることがより好ましく、0.064wt%とすることが最も好ましい。
さらに、導光板の導光長を画面サイズ65インチ対応のL=830mmとし、散乱粒子の粒子径を4.5μmとする場合は、散乱粒子の濃度を0.008wt%以上、0.030wt%以下とすることがより好ましく、0.016wt%とすることが最も好ましい。また、散乱粒子の粒子径を7.0μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.009wt%以上、0.040wt%以下とすることがより好ましく、0.022wt%とすることが最も好ましい。さらに、散乱粒子の粒子径を12.0μmとする場合は、散乱粒子の濃度を、0.020wt%以上、0.080wt%以下とすることがより好ましく、0.041wt%とすることが最も好ましい。
そこで、本発明においては、導光板30の導光長が、280mm以上、320mm以下である時、上述のように、散乱粒子の粒径が、4.0μm以上、12.0μm以下、散乱粒子の濃度が、0.1wt%以上、0.76wt%以下である必要があり、かつ、図9に示すグラフのように、散乱粒子の粒径(μm)を横軸とし、散乱粒子の粒子濃度(wt%)を縦軸とするとき、散乱粒子の粒径および濃度が、6点(4.0,0.1)、(4.0,0.32)、(7.0,0.14)、(7.0,0.5)、(12.0,0.25)および(12.0,0.76)で囲まれる領域内にある必要がある。
また、導光板30の導光長が、515mm以上、620mm以下であるとき、上述のように、散乱粒子の粒径が、4.0μm以上、12.0μm以下、散乱粒子の濃度が、0.015wt%以上、0.16wt%以下であり、かつ、図10(B)に示すグラフのように、粒径(μm)を横軸とし、粒子濃度(wt%)を縦軸とするとき、散乱粒子の粒径および濃度が、6点(4.0,0.015)、(4.0,0.065)、(7.0,0.02)、(7.0,0.09)、(12.0,0.035)および(12.0,0.16)で囲まれる領域内にある必要がある。
また、導光板30の導光長が、785mm以上、830mm以下であるとき、上述のように、散乱粒子の粒径が、4.0μm以上、12.0μm以下、散乱粒子の濃度が、0.008wt%以上、0.08wt%以下であり、かつ、図11(B)に示すグラフのように、粒径(μm)を横軸とし、粒子濃度(wt%)を縦軸とするとき、散乱粒子の粒径および濃度が、6点(4.0,0.008)、(4.0,0.03)、(7.0,0.009)、(7.0,0.04)、(12.0,0.02)および(12.0,0.08)で囲まれる領域内にある必要がある。
以上から、最適な粒子径および粒子濃度の組み合わせを選択できるので、これらの組み合わせを選択することで、10mm程度の混合長でLED光源からの射出光をむらなく出射させることができる。
また、光射出面の光入射面近傍から射出する光の輝度に対する光射出面の中央部から射出する光の輝度の割合を示す前記光射出面の輝度分布の中高度合が、0%より大きく25%以下であるである必要がある。その理由は、大画面の薄型液晶テレビに要求される画面の中央部付近が周辺部に比べて明るい分布、いわゆる中高なあるいは釣鐘状の明るさの分布だからである。
このような導光板30は、押出成形法や射出成形法を用いて製造することができる。
光入射面となる第1光入射面30d、第2光入射面30eの表面粗さRaを380nmよりも小さくすることで、導光板表面の拡散反射を無視することができ、つまり、導光板表面での拡散反射を防止することができ、入射効率を向上させることができる。
また、光射出面30aの表面粗さRaを380nmよりも小さくすることで、導光板表面の拡散反射透過を無視することができ、つまり導光板表面での拡散反射透過を防止することができ、全反射により奥まで光を伝えることができる。
さらに、光反射面となる第1傾斜面30b、第2傾斜面30cの表面粗さRaを380nmよりも小さくすることで、拡散反射を無視することができ、つまり光反射面での拡散反射を防止でき、全反射成分をより奥まで伝えることができる。
図12は、本発明の導光板の設計方法の一例を示すフローチャートである。
まず、図12に示すように、ステップS10において、本発明の導光板を用いるバックライトユニットが適用される液晶表示装置の画面サイズから、画面サイズの短辺長さにミキシングゾーン長としての約10mmを加えて、導光長として決定する。
次に、ステップS12において、画面サイズから導光板の最大厚みtmaxを決定する。
また、ステップS14において、導光板に使用する母材樹脂および添加する散乱微粒子の粒子条件を決定する。
こうして、本発明の導光板を設計することができる。
なお、画面サイズが37インチ、最大厚み3.5mm、導光長480mmである導光板の場合の粒子濃度[wt%]と、光利用効率[%]および中高度合[%]との関係を図13に示す。
同図から明らかなように、粒子濃度が0.05wt%〜0.2wt%の範囲では、光利用効率は、70%を超えるが、粒子濃度が0.05wt%〜0.07wt%の範囲および0.19wt%〜0.2wt%の範囲では、中高度合はマイナス、すなわち、中央部が低い輝度分布となることがわかる。例えば、10%以上の中高度合が必要であれば、粒子濃度を0.08wt%〜0.16wt%の範囲に設計する必要があることがわかる。
本発明の導光板は、基本的に以上のように構成される。
光学部材ユニット32は、導光板30の光射出面30aから射出された照明光をより輝度むらのない光にして、照明装置本体24の光射出面24aからより輝度むらのない照明光を射出するためのもので、図2に示すように、導光板30の光射出面30aから射出する照明光を拡散して輝度むらを低減する拡散シート32aと、光入射面と光射出面との接線と平行なマイクロプリズム列が形成されたプリズムシート32bと、プリズムシート32bから射出する照明光を拡散して輝度むらを低減する拡散シート32cとを有する。
また、光学部材ユニット32には、光源28と導光板30とを固定するための固定部材31aに固定するために、導光板30の光射出面30aに設けた第1丸穴60a、第2丸穴60c、第1長穴62a、第2長穴62cに対応した位置に、同様な丸穴および長穴が設けられているのが好ましい。なお、図示されていないが、光学部材ユニット32には、導光板30を筐体40の上部筐体42および下部筐体44に連結するために、導光板30の光射出面30aに設けられた第3丸穴61aおよび第3長穴63aに対応した位置に、同様な丸穴および長穴が設けられているのが好ましい。
例えば、光学部材として、上述の拡散シートおよびプリズムシートに、加えてまたは代えて、拡散反射体からなる多数の透過率調整体を輝度むらに応じて配置した透過率調整部材も用いることもできる。
反射板34は、導光板30の第1傾斜面30bおよび第2傾斜面30cから漏洩する光を反射して、再び導光板30に入射させるために設けられており、光の利用効率を向上させることができる。反射板34は、導光板30の第1傾斜面30bおよび第2傾斜面30cに対応した形状で、第1傾斜面30bおよび第2傾斜面30cを覆うように形成される。本実施形態では、図4に示すように導光板30の第1傾斜面30bおよび第2傾斜面30cが断面三角形状に形成されているので、反射板34もこれに補形する形状に形成されている。
このように、上部誘導反射板36を配置することで、光源28から射出された光が導光板30に入射することなく、光射出面30側に漏れ出すことを防止できる。
これにより、光源28のLEDチップ50から射出された光を効率よく導光板30の第1光入射面30dおよび第2光入射面30eに入射させることができ、光利用効率を向上させることができる。
下部誘導反射板38を設けることで、光源28から射出された光が導光板30に入射することなく、導光板30の第1傾斜面30bおよび第2傾斜面30c側に漏れ出すことを防止できる。
これにより、光源28のLEDチップ50から射出された光を効率よく導光板30の第1光入射面30dおよび第2光入射面30eに入射させることができ、光利用効率を向上させることができる。
ここで、上部誘導反射板36および下部誘導反射板38としては、上述した反射板34に用いる各種材料を用いることができる。
なお、本実施形態では、反射板34と下部誘導反射板38と連結させたが、これに限定されず、それぞれを別々の部材としてもよい。
また、本実施形態では、上部誘導反射板36を導光板30と拡散シート32aとの間に配置したが、上部誘導反射板36の配置位置はこれに限定されず、光学部材ユニット32を構成するシート状部材の間に配置してもよく、光学部材ユニット32と固定部材31aとの間に配置してもよい。
固定手段31は、光源28と導光板30とを固定して一体化する固定部材31aと、光源28を固定部材31aに固定する複数のネジ31b、31cと、導光板30を固定部材31aに固定する複数の固定ピン31d、31eとを有する。
固定部材31aは、光源28と導光板30との光軸距離および光軸垂直距離を一定に保って光源28と導光板30とを固定して一体化し、導光板30の光軸に垂直な方向の伸縮を吸収するためのものである。固定部材31aは、断面形状がU字型をした柱状部材である。
ここで、固定部材31aと上部筐体44および下部筐体42との接触面積が大きければ、摺動する部分の摩擦力は大きくなり、両者の接触面積が小さければ、摺動する部分の摩擦力は小さくなる。
すなわち、光源28は、そのネジ穴52c、52dおよび固定部材31aのネジ穴にそれぞれネジ31b、31cを螺合させることによって固定部材31aに位置決めされて固定される。
その結果、導光板30の第1および第2光入射面30dおよび30eに垂直な方向に対しては、固定部材31aによって光源28と導光板30は一体化されて固定され、光源28の光射出面と導光板30の第1および第2光入射面30dおよび30eとの間の距離が一定に保たれる。
一方、導光板30の第1および第2光入射面30dおよび30eに平行な方向に対しては、導光板30の伸縮に応じて、固定ピン31dおよび31eが、それぞれ第1長穴62aおよび62b、ならびに第2長穴62cおよび62d内を移動(摺動)して、導光板30の伸縮による反りを防ぐことができる。
また、導光板30を大型化しても導光板30が導光板の光入射面(30d、30e)に平行な方向に自由に伸縮することにより、導光板30に反りが生じることを抑えることができる。
丸穴の配置構成はこれに限定されず、液晶表示装置10、従って、バックライトユニット20の配置やその方向に応じて、導光板30の位置がずれない位置に丸穴を配置することにより、導光板30が損傷することを防止することができる。
また、本実施形態では、光源28と固定部材31aとを固定するためにネジを利用しているが、光源28と固定部材31aとを固定具はこれに限定されず、公知の種々の固定具を用いることができる。例えば、光源28と固定部材31aとを接着剤を用いて固定しても良い。このようにすることで、光源支持部52にネジ穴を設ける必要がないので、より簡略な構造とすることができる。
また、導光板30と固定部材31aを固定する方法も丸穴およびピンに限定されない。例えば、丸穴およびピンの代わりに、導光板30の光射出面30aおよび導光板30の背面側の角の内側に接着剤を付け、導光板30と固定部材31aとを固定しても良い。
図2に示すように、筐体40は、照明装置本体24を収納して支持し、かつその光射出面30a側と導光板30の第1傾斜面30bおよび第2傾斜面30c側とから挟み込み、固定するものであり、下部筐体42、上部筐体44および補強部材46とを有する。
上部筐体44は、図2に示すように、面状照明装置本体24および下部筐体42の上方(光射出面側)から、照明装置本体24およびこれが収納された下部筐体42をその4方の側面部も覆うように被せられて配置されている。
補強部材は、図2に示すように、上部筐体44および下部筐体42に対してネジ46aおよび46bによって連結されている。
また、下部筐体42および上部筐体44と補強部材46をネジ46a、46bによって締め付けて固定することで、下部筐体42と上部筐体44との間に固定手段31、特に、固定部材31aを締め付ける応力を生じさせることができる。
しかし、導光板30の角隅30jには光入射面30d、30eに平行な方向に長い長穴63aが設けられ、角隅30lには筐体40と連結する穴が設けられていないので、筐体40に固定された、図示しないピンは、長穴63aに嵌め込まれていても、長穴63a内を光入射面30d、30eに平行な方向に移動可能であるので、導光板30は、筐体40に対し光入射面30d、30eに平行な方向には移動でき、伸縮可能である。その結果、導光板30の伸縮による反りを防ぐことができる。
また、上述したように、導光板30の第3丸穴61aおよび第3長穴63aに対応して、拡散シート32a、プリズムシート32bおよび拡散シート32cなどからなる光学部材ユニット32、ならびに上部誘導反射板36および下部誘導反射板38にも、同様の丸穴および長穴(図示せず)が設けられているので、導光板30や拡散シート32a、プリズムシート32bおよび拡散シート32cなどの光学部材ユニット32の伸縮率が異なっていても、これらにたわみや反りが発生しない保持機構を実現することができる。
また、固定部材31aには導光板30と光源28が光軸距離および光軸垂直距離を一定に保つように固定されているため、固定部材31aが摺動しても導光板30と光源28の光軸距離は一定に保たれる。このようにすることにより、導光板30がその光入射面に垂直な方向に伸縮して、導光板30の光入射面30dおよび30eが光源28を圧迫して破壊することや、光源28から導光板30に入射する光の光入射効率が低下することを防ぐことができる。
図14は、本実施例に係るすべり機構を備えた照明装置本体の全体構成(概要)を示す側面図である。なお、ここでは、照明装置本体を鉛直方向に設置した状況を前提としている。
すなわち、図14に示すように、本実施例に係る照明装置本体は、その上部で吊り下げられた状態であり、その上部と下部とに主光源28が位置している。
以下、このための構成について、より具体的に説明する。
なお、導光板30については、前述のとおり、図14中の上下方向(吊り下げ方向)における伸縮は、図2に示したような固定手段を介して、筐体40内において吸収されるようになっているので、この方向での摺動機構は設けられていない。
ヒートシンク64は、光源28から放熱された熱を、固定部材31aを通して吸収し、放熱またはヒートパイプ66へと熱を伝える。
このようなヒートシンク64とヒートパイプ66を設けることによって光源28から生じる熱を効率よくヒートパイプ66に移動させ、ヒートパイプ66から放熱することができる。そのため、光源の発光効率が低い場合でも光源を冷却するため、光源の発光光量を大きく出来、大型のバックライトユニットを実現できる。また、逆に光源を冷却することにより、更に光源の発光光量を増大し、大型のバックライトユニットを実現できる。
また、ヒートシンクは、空冷方式に限定されず、水冷方式も用いることができる。
また、下部筐体42の裏側には、光源の電源(図示せず)を収納する電源収納部49(図1参照)が取り付けられている。
面状照明装置20は、導光板30の両端にそれぞれ配置された光源28から射出された光が導光板30の光入射面(第1光入射面30dおよび第2光入射面30e)に入射する。それぞれの面から入射した光は、導光板30の内部に含まれる散乱体によって散乱されつつ、導光板30内部を通過し、直接、または第1傾斜面30bおよび第2傾斜面30cで反射した後、光射出面30aから射出する。このとき、第1傾斜面30bおよび第2傾斜面30cから漏出した一部の光は、反射板34によって反射され再び導光板30の内部に入射する。
このようにして、導光板30の光射出面30aから射出された光は、光学部材32を透過し、照明装置本体24の光出面24aから射出され、液晶表示パネル12を照明する。
液晶表示パネル12は、駆動ユニット14により、位置に応じて光の透過率を制御することで、液晶表示パネル12の表面上に文字、図形、画像などを表示する。
すなわち、図7に示すように、導光板30の光射出面30aを反射板側(図中下側)に凸となる凹面とすることで、導光板30が伸縮し、導光板30に反りが生じたとしても、導光板30の光射出面30aは、反射板34側に凸となる方向に反る。これにより、導光板30が反る方向を、液晶表示パネル側(図中上側)とは逆方向とすることができ、導光板30が液晶表示パネルを押し上げることを防止でき、液晶表示装置10から出射される光にむらが発生することをより好適に防止することができる。
なお、本実施形態のように、導光板の光射出面30aを反射板側に凸となる凹面とすることで、仮に固定手段を設けなかった場合でも、導光板と光源との距離を一定にすることはできなくなるが、光射出面が液晶表示パネルを押し上げることを防止することができ、導光板と液晶表示パネルとが接触することで輝度むらが生じることを防止できる。
このように、透明材料と可塑剤とを混合した材料で導光板を作製することで、導光板をフレキシブルにすること、つまり、柔軟性のある導光板とすることができ、導光板を種々の形状に変形させることが可能となる。従って、導光板の表面を種々の曲面に形成することができる。
このように導光板をフレキシブルにすることにより、例えば、導光板、または、この導光板を用いた面状照明装置を電飾(イルミネーション)関係の表示板として用いる場合に、曲率を持つ壁にも装着することが可能となり、導光板をより多くの種類、より広い使用範囲の電飾やPOP(POP広告)等に利用することができる。
ここで、副光源29を設ける場合にも、図2に示した光源28のときと同様に固定手段31およびすべり機構を設け、さらに、図16に示すように光源支持部52にネジ穴52c、52dを設け、主光源28と導光板30の光入射面30d、30eとの距離、および副光源29と導光板30の光入射面30f、30gとの距離を一定に保つために、導光板30の光射出面30aの角隅30i,30jおよび30lに、それぞれ、第1丸穴60a、第1長穴62aおよび第2長穴62cを設けると共に、導光板30の角隅30kに設けられた第2円穴60cの代わりに、第1長穴62aおよび第2長穴62cと略同形状の第5長穴62eを設け、さらに、これらに加えて、導光板30の角隅30k,30jおよび30lに、それぞれ、第1長穴62a、第2長穴62cおよび第5長穴62eの長径方向と直交する方向に長径を持つ第6長穴70a、第7長穴71aおよび第8長穴72aを設けることで、導光板30の伸縮による主光源28および副光源29の破壊、主光源28および副光源29による光入射面への光入射効率の低下、および光射出面30aから出射される光の輝度むらを低減することができる。なお、導光板30の背面の傾斜面30bおよび30cにも、図示は省略されているが、導光板30の光射出面30aの丸穴および長穴に対応する位置に同様に丸穴および長穴が形成されているのはいうまでもない。
また、上述の1つの丸穴60a、6つの長穴62a、62c、62e、70a、71aおよび72a、ならびにこれらの1つの丸穴および6つの長穴に対応する背面側の1つの丸穴および6つの長穴は、導光板30を固定部材31aに固定して主光源28および副光源29と一体化し、主光源28と導光板30の光入射面30d、30eとの距離、および副光源29と導光板30の光入射面30f、30gとの距離を一定に保つための丸穴および長穴であるので、その機能があれば、光射出面30a側の丸穴および長穴と背面側の丸穴および長穴は、貫通されていても良い。
また、光源として、赤色LED、緑色LED、青色LEDの3種類のLEDを組み合わせた構成のLEDユニットを用いることもできる。この場合は、3種類のLEDから射出された光を混色することで白色光とすることができる。
さらにLEDの代わりに半導体レーザー(LD)を用いることもできる。
光源から射出された光が入射する部分を他の部分よりも屈折率を小さくすることで、光源から射出された光をより効率よく入射させることができ、光利用効率をより高くすることができる。
具体的には、光源(の光源支持部)と固定手段との接触面、固定手段を構成する各部材同士の接触面、固定手段と筐体(上部筐体、下部筐体)との接触面に放熱グリスを塗布し、各部材を放熱グリスを介して接触させることが好ましい。
ここで、放熱グリスとしては、シリコングリス、金属フィラー入りシリコングリスを用いることができる。
また、光源の温度上昇を抑制し、LEDの発光効率の低下を防ぐことができることで、同じ消費電力で射出される輝度を上昇させることができるので、面状照明装置の消費電力を下げることができる。
また、光源の熱により光源の周囲の部材特に導光板が変形することを防止でき、装置が変形することを防止でき、変形により液晶パネルに不必要な力が作用し、パネルが変形し、白抜け等が発生することを防止できる。また、反りを抑制できることで、反りを想定した空間や、クッション材を設ける必要がなくなるまたは少なくため、装置構成を簡単にし、装置を薄型化することができる。
また、効率よく放熱できることで、ヒートパイプ等、高価な放熱手段を設ける必要がなくなり、または少なくすることができ、装置を安価にすることができる。
また、放熱グリスを塗布することにより、可動部をスムーズに摺動させることもできる。
熱伝導率を0.6W/m・k以上とすることで、熱を効率よく伝えることができ、更に金属粒子混入・分散型グリス放熱では、グリスを厚く塗布した場合も効率よく光源で発生した熱を放熱することができる。
また、ちょう度を300以上、400以下とすることが好ましい。
ちょう度を300以上とすることで、放熱グリスを薄く塗ることが可能となり、400以下とすることで、摺動する部分の可動性を低下させることを防止でき、例えば、固定部材を低い抵抗で移動させることができる。
接触面の全面に放熱グリスを塗布することでより効率よく光源の熱を筐体に伝熱することができる。
また、各接触面で熱を伝達させるため、それぞれの接触面の少なくとも一部には、放熱グリスを塗布する必要があるが、全面に塗布せず一部としてもある程度の効果を得ることはできる。
本測定例では、図2に示す構成の面状照明装置を用い、光源28と固定部材31aとの接触部全面、固定部材31aと下部筐体42との接触面、固定部材31aとヒートシンク64との接触面、ヒートシンク64と下部筐体42との接触面、ヒートシンク64とヒートパイプ66との接触面、および、ヒートパイプ66と下部筐体42との接触部全面に、厚みが50〜100μmとなるように放熱グリスを塗布した。この放熱グリスの塗布は、導光板30の2つの光入射面のそれぞれの側で行った。ここで、測定に用いた放熱グリスは放熱用シリコーンオイルコンパウンド(商品名)であり、このグリスの熱伝導率は0.84W/(m/k)、ちょう度は300である。また、光源支持部としては、板状の部材を用いた。また、導光板としては52インチの面状照明装置に用いる導光板を用いた。また、面状照明装置は、一方の固定部材31aが上方、他方の固定部材31aが下方となるように、面状照明装置を吊り下げた向きで配置した。
また、導光板の平面性は、面状照明装置の上下額縁部分について、基準ゲージに対する(スコヤ)変形量をステレオ画像法により測定した。
また、射出面から射出される光の輝度は、光射出面の中央の位置の輝度を輝度計(商品名:分光放射計SR−3)により測定した。
ここで、図17は、液晶パネルモジュールの平面性を表す測定結果を示すグラフであり、図18は、照射時間と光源の温度および光射出面から射出される光の輝度との関係の測定結果を示すグラフである。ここで、図17では、縦軸を変形量とし、横軸を各上下の額縁の長手方向とした。また、図18では、縦軸を、光源の温度[℃]および輝度[cd]とし、横軸を照射時間[min]とした。
以上より、接触面に放熱グリスを塗布することで、導光板の変形を防止することができ、平面性を高くできることが分かる。
以上より、本発明の効果は、明らかである。
このように、導光板30の光射出面30aを反射板側(図中下側)に凸となる凹面とすることで、導光板30が伸縮し、導光板30に反りが生じたとしても、導光板30の光射出面30aは、反射板34側に凸となる方向に反る。これにより、導光板30が反る方向を、液晶表示パネル側(図中上側)とは逆方向とすることができ、導光板30が液晶表示パネルを押し上げることを防止でき、液晶表示装置10から出射される光にむらが発生することをより好適に防止することができる。
なお、上記実施形態並びに実施例はすべて本発明の一例を示すものであって、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を変更しない範囲内において、種々の変更並びに改良を行ってもよいことはいうまでもない。
12 液晶表示パネル
14 駆動ユニット
20 バックライトユニット
24 照明装置本体
24a,30a 光射出面
28 主光源
29 副光源
30 導光板
30a 光射出面
30b 第1傾斜面
30c 第2傾斜面
30d 第1光入射面
30e 第2光入射面
30f 第1側面(第3光入射面)
30g 第2側面(第4光入射面)
30h 湾曲部
31 固定手段
31a 固定部材
31b,31c,46a,46b ネジ
31d,31e 固定ピン
32 光学部材ユニット
32a 拡散シート
32b プリズムシート
32c 拡散シート
34 反射板
34a 反射フィルム
36 上部誘導反射板
38 下部誘導反射板
40 筐体
42 下部筐体
44 上部筐体
46 補強部材
49 電源収納部
50 LEDチップ
52 光源支持部
52a 光源支持部上面
52b 光源支持部下面
52c,52d ネジ穴
54 アレイ基板
56 フィン
58 発光面
60a,60b,61a 丸穴
62a,62b,62c,62d,62e,70a,71a,72a 長穴
63a 長穴
64 ヒートシンク
66 ヒートパイプ
70,74 丸穴
72a、72b並びに76a、76b 長穴
100 導光板
100a 光射出面
100a1 凹み
100b,100c 傾斜面
100d,100e 光入射面
100h 湾曲部
α 2等分線
c 光源と導光板の光軸距離
Claims (6)
- 表面が凹面である矩形状の光射出面、前記光射出面の対向する2つの長辺をそれぞれ含み互いに対向する位置に配置される2つの光入射面、これらの2つの光入射面から前記光射出面の中央に向かうに従ってそれぞれ前記光射出面からの距離が遠くなる対称な2つの傾斜面、これらの2つの傾斜面を接合する湾曲部を備え、その内部に伝搬する光を散乱する散乱粒子を含む導光板と、
前記導光板の2つの前記光入射面に対向してそれぞれ配置された2つの光源と、
前記光源と前記導光板とを、前記光源と前記導光板の前記光入射面との間の距離を一定にして固定して一体化する固定手段と、
前記固定手段によって一体化された前記光源および前記導光板を収納する筐体と、
前記光源の長手方向における伸縮を吸収するための、前記光源を前記導光板の前記光入射面に直交する方向に沿って摺動させるすべり機構とを有することを特徴とする面状照明装置。 - 前記固定手段は、前記導光板の前記光入射面から前記光源に向かう方向において、前記導光板の伸縮に影響されずに、前記導光板と前記光源と一体化するものである請求項1に記載の面状照明装置。
- 前記すべり機構は、前記光源の被ガイド部が挿通される溝と、前記光源の位置を伸縮前の位置に戻す方向に付勢するバネ材とにより構成される請求項1または2に記載の面状照明装置。
- 前記すべり機構は、前記光源の被ガイド部が挿通されるリニアベアリングガイドと、前記光源の位置を伸縮前の位置に戻す方向に付勢するバネ材とにより構成される請求項1〜3のいずれかに記載の面状照明装置。
- 前記導光板は、
その厚みが最も薄い前記光入射面の厚みが、0.5mm以上3.0mm以下であり、
前記厚みが最も厚い前記湾曲部の中央の厚みが、1.0mm以上6.0mm以下であり、
前記湾曲部の曲率半径が、1,500mm以上45,000mm以下であり、
前記光射出面に平行な線に対する前記傾斜面のテーパが、0.1°以上2.2°以下である請求項1〜4のいずれかに記載の面状照明装置。 - 前記導光板は、前記光射出面が前記傾斜面側に凸の曲面で構成され、
前記光射出面の曲率半径が55000mm以上、120000mm以下であり、
前記湾曲部の曲率半径が10000mm以上、55000mm以下である請求項1〜5のいずれかに記載の面状照明装置。
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