JP2010239021A - 光源モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光方向の厳密な調整を不要とし、輝度ムラのない光源モジュールを提供する。
【解決手段】光源モジュール１は、発光素子４０と、発光素子４０から放射される光を側面方向へ放射する透明樹脂からなる光方向変換素子１０とを有している。光方向変換素子１０には、透明樹脂１００重量％に対して０．０１重量％以上０．１重量％以下の光拡散剤１４が含有されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、照明看板及び液晶ディスプレイのバックライトや照明機器等の光源に用いられる光源モジュールに係わり、特に、輝度や輝度均一性の低下を防止した光源モジュールに関する。

従来、例えば照明看板や液晶ディスプレイ等のバックライト、又は照明機器などは、白熱電球や蛍光灯を光源として使用している。近年では、点光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）の高出力化が可能になり、照明に使用可能な所望の照度が得られるようになってきたことから、ＬＥＤが白熱電球や蛍光灯に代わる光源として多用されてきている。

このＬＥＤは、蛍光灯等の面光源とは異なり、ＬＥＤの発光面積が小さく、ＬＥＤの直接光は人間が直視すると眩しく感じられる。面発光を必要とする照明看板用などの照明に使用する場合は、ＬＥＤの直接光を利用したことで明るさにムラが発生しないように多数個のＬＥＤを配列する必要がある。

この種のＬＥＤを照明に使用する一例としては、例えばＬＥＤを使用したときに均一な面光として照明させるＬＥＤパッケージがある（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載された従来のＬＥＤパッケージは、ＬＥＤの真上部に、上面がじょうご形状部を有するとともに、外周に鋸歯状部を有するレンズを対向して配置している。この従来のＬＥＤパッケージは、ＬＥＤから出射される光をパッケージ軸に対して略垂直になるように出射させることで、ＬＥＤの真上部において輝度が高くなることを抑制している。

特開２００３−８０６８号公報

ところで、上記特許文献１に記載された従来のＬＥＤパッケージは、レンズのじょうご形状部や鋸歯状部に当たったＬＥＤからの光が反射・屈折され、ＬＥＤの搭載面に対して平行光になるように出射させる構成となっているので、ＬＥＤの真上部に配置されたレンズにおいて輝度の高い部分と輝度の低い部分とが発生し、輝度分布が不均一になり、輝度ムラの発生を完全に抑えることはできない。光学シミュレーションを用いてレンズのじょうご形状部や鋸歯状部における凹凸形状を設計したとしても、レンズは複雑な形状を有するので、設計通りのレンズ形状が得られ難く、発光バラツキの厳格な調整は困難であり、輝度の均一性を得ることも困難であるという問題点があった。

従って、本発明は上記従来の課題を解決すべくなされたものであり、その具体的な目的は、光方向の厳密な調整を不要とし、輝度ムラのない光源モジュールを提供することにある。

［１］本発明は、上記目的を達成するため、発光素子と、前記発光素子から放射される光を側面方向へ放射する光方向変換素子とを有し、前記光方向変換素子に光拡散剤を含有してなることを特徴とする光源モジュールにある。
［２］上記［１］記載の発明にあって、前記光方向変換素子は、前記発光素子から放射される光を入射する入射面と、前記入射面から入射した光を反射する反射面と、前記反射面で反射した光を屈折して側面方向へ出射する出射面とを有してなることを特徴としている。
［３］上記［１］又は［２］記載の発明にあって、前記光方向変換素子に設けられるホルダ片を有し、前記ホルダ片は、前記光方向変換素子側に向けて開口する収納部を有し、前記収納部内に前記発光素子を搭載する回路基板を保持する構成を有してなることを特徴としている。
［４］上記［１］〜［３］のいずれかに記載の発明にあって、前記光方向変換素子は透明材料からなり、前記光拡散剤の含有量は、前記透明材料１００重量％に対して０．０１重量％以上０．１重量％以下であることを特徴としている。

本発明は、光方向の厳密な調整を行わなくても、光の利用効率を高めることができるとともに、輝度ムラのない照明光を得ることができる。

（ａ）は本発明に係る好適な第１の実施の形態である光源モジュールを模式的に示す斜視図、（ｂ）は光源モジュールの平面図であり、（ｃ）は光源モジュールの下面図である。 （ａ）は図１（ａ）の１Ａ−１Ａ線の矢視断面拡大図であり、（ｂ）は図１（ｂ）の１Ｂ−１Ｂ線の矢視断面拡大図である。 図１に示すＬＥＤを模式的に示す断面図である。 図１に示す光源モジュールの出射光を説明するための図である。 図１に示す光源モジュールを用いた第２の実施の形態である面状発光装置の出射光を説明するための図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。

［第１の実施の形態］
（光源モジュール）
図１及び図２において、全体を示す符号１は、光源モジュールの一構成例を模式的に示している。この光源モジュール１の基本構成は、光を側面方向へ変換する光方向変換素子１０と、光方向変換素子１０に内嵌固定されたホルダ片２０と、ホルダ片２０に保持固定された回路基板３０と、回路基板３０上に搭載された発光素子４０（以下、「ＬＥＤ４０」という。）により構成されている。ＬＥＤ４０はケーブル５０と電気的に接続されている。

（光方向変換素子）
光源モジュール１の光方向変換素子１０は、図１及び図２に示すように、直方形のケース部１１と円形の光方向変換部１２とを有している。このケース部１１及び光方向変換部１２は、例えばＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）樹脂を射出成形することで一体的に形成される。光方向変換素子１０の材質としては、ＰＭＭＡ樹脂に限定されるものではなく、例えばポリカーボネート、エポキシシリコーン等の透明樹脂、透明ガラス、又は着色された各種の透明材料を用いることができる。

（ケース部）
光方向変換素子１０のケース部１１は、図１及び図２に示すように、下面に開放する矩形状の嵌合凹部１１ａを有している。その嵌合凹部１１ａを形成する長手方向対向側壁には二組一対の切欠き１１ｂ，１１ｂが形成されており、長手方向左右両側の対向側壁には二組一対の凸部１１ｃ，１１ｃが突出形成されている。ケース部１１の嵌合凹部１１ａにはホルダ片２０が内嵌固定されている。光方向変換素子１０及びホルダ片２０に囲まれた露呈部分には封止樹脂１３が充填されている。ケース部１１の切欠き１１ｂにはケーブル５０が挿通されている。ケース部１１の凸部１１ｃは、図示しない相手方の光源モジュール取付用部材に係止される。

（光方向変換部）
光方向変換素子１０の光方向変換部１２は、図１及び図２に示すように、均一の外径を有する扁平状の円柱体からなる。この光方向変換部１２は、回路基板３０上に搭載されたＬＥＤ４０と対応する部位に裁頭円錐形の凹部１２ａを有している。この凹部１２ａは、ＬＥＤ４０から出射される光を入射する第１及び第２の光入射面１２ｂ，１２ｃからなる。この光方向変換部１２は更に、第１の光入射面１２ｂから入射した光を反射する光反射面１２ｄと、この光反射面１２ｄで反射した光を屈折させて側方、斜め前方、及び斜め後方に出射する光出射面１２ｅとを有している。この光入射面１２ｂ，１２ｃ、光反射面１２ｄ、及び光出射面１２ｅには鏡面加工を施すことが好適である。

第１の光入射面１２ｂとＬＥＤ４０との間は、図２に示すように、空隙Ｇが形成されている。この空隙Ｇは約０．３ｍｍ程度をもって形成されることが好適である。これにより、光方向変換素子１０に外力が加わっても、ＬＥＤ４０には力が加わらないので、ＬＥＤ４０の破損、損傷や擦過傷等を防止することができる。光方向変換素子１０の第２の光入射面１２ｃにはＬＥＤ４０から出射される光が入射する。これにより、第２の光入射面１２ｃに入射する光が拡散されるので、輝度のバラツキ（明暗ムラ）を抑制することができる。

光方向変換部１２の光反射面１２ｄは、図１及び図２に示すように、光出射面１２ｅに向けて次第に拡がる漏斗状に形成されており、第１の光入射面１２ｂから到達する光を光出射面１２ｅへ向けて全反射するようになっている。この光反射面１２ｄの形態は図示例に制限されるものではない。光反射面１２ｄの形態としては、例えば等価的に回転２次曲面、回転放物面、あるいは回転双曲面のような湾曲形状の一部であってもよい。

光方向変換部１２の光出射面１２ｅは、図１及び図２に示すように、円形をなしているが、光出射面１２ｅの形態にあっても、図示例に限定されるものではない。光出射面１２ｅの形態は、例えば三角形、四角形、あるいは八角形等の多面形状であってもよい。光出射面１２ｅの外面に粗面加工を施すことで光出射面１２ｅの光拡散性を高めることもできる。

（ホルダ片）
光源モジュール１のホルダ片２０は、例えばＡＢＳ樹脂などの樹脂材料からなる。このホルダ片２０は、図１及び図２に示すように、細長いブロック板により構成されている。ホルダ片２０の内部には、光方向変換素子１０側に開放する収納空間２１が形成されている。その収納空間２１の中間部の一部は、回路基板３０を載置支持する支持面を有する段状部２２をもつ階段形状をなしている。その段状部２２には図示しないピン挿通孔が上下方向に貫通して穿設されている。そのピン挿通孔には光方向変換素子１０の同じく図示を省略したホルダ片位置決め用ピンが挿通される。ホルダ片２０は接着や溶着等により光方向変換素子の嵌合凹部１１ａ内に内嵌固定される。

（回路基板）
回路基板３０は、例えばガラスエポキシ樹脂などの樹脂材料からなる。回路基板３０の表面には、図２に示すように、ＬＥＤ４０が実装され、図示しない配線パターンがＬＥＤ４０のリードと電気的に接続されている。回路基板３０の裏面にはツェナーダイオード等の電子部品３１が実装されている。その電子部品３１は、ホルダ片２０の収納空間２１内に収納されており、ケーブル５０により他の光源モジュール１の回路基板や電源に接続される。回路基板３０の表面を白色に塗装することで、ＬＥＤ４０から発した光が回路基板３０の表面に乱反射して光方向変換素子１０に当たるため、明るく照明することができる。

（ＬＥＤ）
図３を参照すると、ＬＥＤ４０の一構成例が模式的に示されている。このＬＥＤ４０は、白色の樹脂材料により形成されたパッケージ４２を有している。このパッケージ４２は、リフレクタとなる傾斜面４１ａ及び底面４１ｂからなる凹部４１を有している。その凹部４１の底面には、外側に導出してなる一対のリード４３，４３と、一対のリード４３の凹部４１側の端部に電気的に接続された青色光を発する青色ＬＥＤ素子４４とが配されている。青色ＬＥＤ素子４４はリード４３を介して回路基板３０に実装される。

パッケージ４２の凹部４１内には封止樹脂４５が充填されている。この封止樹脂４５は、青色ＬＥＤ素子４４から発する青色光で励起されて黄色光を発する蛍光体４６を含有している。青色ＬＥＤ素子４４から発する青色光と蛍光体４６から発する黄色光との混合に基づいて白色光が出射する。

青色ＬＥＤ素子４４としては、例えば発光波長領域が４５０ｎｍ〜４６０ｎｍであるＧａＮ系半導体化合物からなるＬＥＤ素子を用いることができる。蛍光体４６としては、例えば珪酸塩系の蛍光体、あるいはＹＡＧ蛍光体等のガーネット系蛍光体などを用いることができる。ＬＥＤの他の一例としては、青色ＬＥＤ素子４４に代えて、例えばＲ、Ｇ、Ｂの３色のＬＥＤ素子を組み込むことにより各種のカラーの発光光を得ることができる。

（光拡散剤）
光方向変換素子１０としては、図１及び図２に示すように、構成材料となる透明樹脂とは異なる屈折率を有する微粒子状の光拡散剤１４を混入したものが好適に用いられる。この光拡散剤１４は、光を拡散させる性質を有する粒子であれば、特に制限されるものではない。光拡散剤１４としては、例えばガラスビーズ、シリカ粒子、水酸化アルミニウム粒子、炭酸カルシウム粒子、酸化チタン粒子などの無機粒子、あるいはスチレン樹脂粒子、アクリル樹脂粒子、シリコーン粒子などの有機粒子が挙げられ、これらの１又は２種以上が光方向変換素子１０の透明樹脂中に配合される。

光拡散剤１４の形状としては、制限されるものではなく、例えば立方状、針状、板状などの各種の形状を使用することができる。好ましくは、光拡散剤１４は、光の拡散方向を等方的にできる球状であることが望ましい。光拡散剤１４の平均粒径は、例えば約０．５〜１０μｍ程度の範囲内にあれば、光を均一に拡散させることができるので望ましい。平均粒径が約０．５μｍよりも小さくなると、光拡散性は増大するものの、光透過性が低下するので好ましくない。一方、平均粒径が約１０μｍよりも大きくなると、光透過性は増大するものの、光拡散性が低下して輝度ムラが発生しやすくなるので好ましくない。

光拡散剤１４の含有量は光方向変換素子１０の樹脂の種類、厚みや外郭形態などに応じて適宜選択することができる。この第１の実施の形態にあっては、光方向変換素子１０に光拡散剤１４を混入することで薄い乳白色とし、透明樹脂内に均一に分散された状態で使用される。その透明樹脂に分散させる光拡散剤１４の含有量としては、透明樹脂１００重量％に対して０．０１重量％以上０．１重量％以下であることが好適である。好ましくは、透明樹脂１００重量％に対する光拡散剤１４の含有量は、０．０５重量％程度であることが特に望ましい。光拡散剤１４の含有量が０．１重量％を超すと、光方向変換素子１０の機械的強度の低下をもたらすので好ましくない。一方、光拡散剤１４の含有量が０．０１重量％未満であると、光拡散効果が得られないばかりでなく、方向変換素子１０の光反射面１２ｄに光の明暗部が点在するので好ましくない。

図４には、光方向変換素子１０により光方向が変換された光線が模式的に示されている。透明樹脂１００重量％に対する光拡散剤１４の添加量を０．０１重量％以上０．１重量％以下の範囲内に調整することで、ＬＥＤ４０から発する光が光方向変換素子１０内において多方向に適度に拡散され、光方向変換素子１０の光反射面１２ｄの裏側から表側へ向けて透過する光が略均一に拡散放射される。これにより、光方向変換素子１０の形状や歪みなどによる光の強弱のムラを解消することができる。

（第１の実施の形態の効果）
上記第１の実施の形態に係る光源モジュール１によると、次の様々な効果が得られる。
（１）透明樹脂１００重量％に対する光拡散剤１４の含有量を０．０１重量％以上０．１重量％以下の範囲内に調整することで、光方向変換素子１０から光反射面１２ｄへの出射光の指向性を容易に変更させることが可能となる。
（２）従来では透明材質からなるレンズの形状や厚さのようなレンズの特性によりＬＥＤからの光が分光するため、色むらや発光ムラが発生するという問題点があった。この第１の実施の形態においては、透明材質からなる光方向変換素子１０に０．０１重量％以上０．１重量％以下の拡散剤１４を調合することで、光の光路を容易に変更することができるので、光方向の厳密な調整を行うことなく、光源モジュール１からの光を均一に分散できるようになり、光学的な均一性の効果が得られる。
（３）光方向変換素子１０の光入射面１２ｂ，１２ｃに入射した光を側方、斜め前方、及び斜め後方に変換して出射することができるので、１つのＬＥＤ４０が照射する範囲が拡大され、色むらや発光ムラの発生を十分に抑制することができる。
（４）光方向変換素子１０の凹部１２ａとＬＥＤ４０との間に空隙Ｇが設けられるため、光方向変換素子１０に圧力が加わっても、ＬＥＤ４０には外力が加わらず、ＬＥＤ４０の破損、損傷や擦過傷等の発生を防止することができる。

［第２の実施の形態］
以上のように構成された光源モジュール１は、最終製品として、例えば本出願人が先に提案した特開２００７−４８８８３号公報や特開２００８−１５９３９４号公報に記載されているように、多数個の光源モジュール１が取付面にアレイ状に取り付けられる取付けユニット、及びそれを用いた面状発光装置（バックライト装置）などに効果的に適用することができる。

図５を参照すると、上記第１の実施の形態に係る光源モジュール１を用いた面状発光装置５が模式的に示されている。なお、上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。従って、上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材に関する詳細な説明は省略する。

図５において、全体を示す符号２は光源モジュール１を使用した広告看板を模式的に示している。この広告看板２は、開口３ａを有する直方形の筐体３と、開口３ａに設けられた広告表示部４と、筐体３の背面板３ｂに取り付けられた面状発光装置５とを備えている。この面状発光装置５により照明光が広告表示部４の背面側から表面側へと照射される。

広告看板２の筐体３は、金属材料又はポリカーボネート等の樹脂材料からなり、背面板３ｂを取り囲む４つの側面板３ｃを備えている。その側面板３ｃの内面にはアルミニウムシート等の金属シートが貼り付けられており、光の反射効率を高めている。側面板３ｃの内面は、金属シートの代わりに、例えば白色塗装を施してもよく、筐体３を白色の樹脂材料で形成することもできる。

広告看板２の広告表示部４は、図示例に限定されるものではないが、広告板４ａ、透明板４ｂ、及び散乱板４ｃを積層して形成されている。この透明板４ｂ及び散乱板４ｃは透明樹脂又は透明ガラス等からなる。透明板４ｂは、広告が印刷された広告板４ａを保護する。散乱板４ｃは、表面又は裏面に微細な凹凸を有しており、入射光を散乱させる。

広告看板２の面状発光装置５は、背面板３ｂに取り付けられる取付けユニット６、取付けユニット６に着脱可能に嵌合される複数の光源モジュール１、及び光源モジュール１のケース部１１上に配置された反射板７を備えている。その反射板７は、光源モジュール１から斜め後方に出射された光、光源モジュール１から出射されて広告表示部４で反射した光を広告表示部４側へ反射する。反射板７としては、例えばＡＢＳ樹脂等の樹脂材料からなり、広告表示部４側の表面に白色塗装を施すことで反射面を形成したものを用いることができるが、白色の樹脂材料により形成することもできる。

いま、面状発光装置５に電源を供給すると、多数個の光源モジュール１のＬＥＤ４０から白色光を発光する。その白色光は、図４に示すように、光方向変換素子１０によって側方、斜め上方、及び斜め下方に適度に拡散され、光方向変換素子１０の光反射面１２ｄの裏側から表側へ向けて透過する光が略均一に拡散放射される。光源モジュール１から斜め前方に出射された光Ｌ１は、図５に示すように、広告表示部４に直接到達する。斜め前方及び側方に出射された光Ｌ２は、筐体３の側面板３ｃの内面で反射して広告表示部４に到達する。斜め後方に出射された光Ｌ３は、反射板７に反射されて広告表示部４に到達し、広告板４ａの広告内容を鮮明に表示する。

この第２の実施の形態においては、光方向変換素子１０の透明樹脂１００重量％に対する光拡散剤１４の含有量を０．０５重量％程度に調整することで、光源モジュール１のＬＥＤ４０から発する光が、光方向変換素子１０において全反射、透過、屈折するとともに、光方向変換素子１０に混入される拡散剤１４により多方向に乱反射拡散する。多数個の光源モジュール１のＬＥＤ４０のそれぞれの光が、光源モジュール１の直上部、隣接する光源モジュール１の間に明暗差を発生することなく、広告看板２の筐体３の内壁等に反射して広告表示部４の後面に当たる。これにより、光方向変換素子１０の輝度ムラが少ないバックライト装置が得られる。

ところで、光方向変換素子１０の透明樹脂１００重量％に対する光拡散剤１４の含有量が０．０１重量％未満であると、光源モジュール１の中心部分が暗くなり、隣接する光源モジュール１の間が明るくなるので、広告表示部４上に明暗部（光ムラ）が点在することとなり、広告表示部４の輝度分布が不均一になる。一方、光拡散剤１４の含有量が０．１重量％を超すと、光源モジュール１の直上部分は明るくなるものの、隣接する光源モジュール１の間が暗くなるので、広告表示部４上に明暗部が点在することとなる。

光方向変換素子１０に光拡散剤１４を添加する代わりに、光方向変換素子１０の光反射面１２ｄにおいて、光が透過する面と全反射する面とを形成すると、ＬＥＤ４０は直進性が強いので、広告表示部４上に明るい部分と暗い部分とが点在することとなり、好ましくない。光方向変換素子１０の光反射面１２ｄにシボ加工したシボ面を形成すると、そのシボ面に入射した光は乱反射するので、輝度ムラが目立ち難くなる。しかしながら、シボ面の形状、大きさや配置位置などを試作し、光方向変換素子１０の光反射面１２ｄの裏側から表側に向けて透過する光透過量を厳密に調整しなければならなくなるので好ましくない。

（第２の実施の形態の効果）
上記第２の実施の形態に係る面状発光装置５によれば、上記第１の実施の形態の効果に加えて、次の効果が得られる。
（１）拡散剤１４を調合して乱反射光を利用することで光源モジュール１の直上部から出る光の調節が容易となり、光源モジュール１の直上部、及び多数個の光源モジュール１間の明暗差を確実に解消することができる。
（２）光方向変換素子１０は、比較的に少ない数のＬＥＤ４０を使用して簡単な構成でＬＥＤ４０ごとに回路基板３０に実装できるため、生産性を向上させることができる。

以上の説明からも明らかなように、本発明は、上記実施の形態、変形例及び図示例に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲内で様々に設計変更が可能である。上記第２の実施の形態では面状発光装置をバックライトとして広告看板に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではないことは勿論であり、例えば液晶テレビ、面状発光装置自体を画像信号に応じて光源モジュールを点灯又は消灯させて画像を表示する画像表示装置などに効果的に使用することができる。

１ 光源モジュール
２ 広告看板
３ 筐体
３ａ 開口
３ｂ 背面板
３ｃ 側面板
４ 広告表示部
４ａ 広告板
４ｂ 透明板
４ｃ 散乱板
５ 面状発光装置
６ 取付けユニット
７ 反射板
１０ 光方向変換素子
１１ ケース部
１１ａ 嵌合凹部
１１ｂ 切欠き
１１ｃ 凸部
１２ 光方向変換部
１２ａ 凹部
１２ｂ，１２ｃ 光入射面
１２ｄ 光反射面
１２ｅ 光出射面
１３，４５ 封止樹脂
１４ 光拡散剤
２０ ホルダ片
２１ 収納空間
２２ 段状部
３０ 回路基板
３１ 電子部品
４０ ＬＥＤ
４１ 凹部
４１ａ 傾斜面
４１ｂ 底面
４２ パッケージ
４３ リード
４４ 青色ＬＥＤ素子
４６ 蛍光体
５０ ケーブル
Ｇ 空隙
Ｌ１〜Ｌ３ 光線

Claims (4)

1. 発光素子と、前記発光素子から放射される光を側面方向へ放射する光方向変換素子とを有し、
   前記光方向変換素子に光拡散剤を含有してなることを特徴とする光源モジュール。
2. 前記光方向変換素子は、前記発光素子から放射される光を入射する入射面と、前記入射面から入射した光を反射する反射面と、前記反射面で反射した光を屈折して側面方向へ出射する出射面とを有してなることを特徴とする請求項１記載の光源モジュール。
3. 前記光方向変換素子に設けられるホルダ片を有し、
   前記ホルダ片は、前記光方向変換素子側に向けて開口する収納部を有し、前記収納部内に前記発光素子を搭載する回路基板を保持する構成を有してなることを特徴とする請求項１又は２記載の光源モジュール。
4. 前記光方向変換素子は透明材料からなり、
   前記光拡散剤の含有量は、前記透明材料１００重量％に対して０．０１重量％以上０．１重量％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源モジュール。

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