JP2013239413A - 光束制御部材、発光装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光束制御部材の位置決め精度を維持しつつ、ボスの強度を向上させた光束制御部材を提供すること。
【解決手段】光束制御部材１４０は、発光素子１３０から出射された光の配光を制御する光制御出射面１４１と、光制御出射面１４１の反対側に位置する裏面１４３と、裏面１４３側に形成されたボス１４５と、ボス１４５の基端部の周囲に形成された環状凹部１４６とを有する。環状凹部１４６は、ボス１４５の基端部の外周面に滑らかに繋がる、ボス１４５の軸方向の断面形状が弧状の内側面１４６ａを含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材に関する。また、本発明は、前記光束制御部材を有する発光装置、および前記発光装置を有する照明装置に関する。

液晶表示装置などの透過型画像表示装置では、バックライトとして直下型の面光源装置を使用することがある。近年、光源として複数の発光素子を有する、直下型の面光源装置が使用されるようになってきている。

たとえば、直下型の面光源装置は、基板、複数の発光素子、複数の光束制御部材（拡散レンズ）および光拡散部材（拡散板）を有する。複数の発光素子は、基板上にマトリックス状に配置されている。各発光素子の上には、各発光素子から出射された光を基板の面方向に拡げる光束制御部材が配置されている。光束制御部材から出射された光は、光拡散部材により拡散され、被照射部材（例えば液晶パネル）を面状に照らす。

光束制御部材を基板上に位置決めする場合、光束制御部材の底部に位置決め用のボス（凸部）を形成し、このボスを基板に形成された孔に嵌め込むことがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、複数のレンズと、複数のレンズを基板上に位置決めするための複数の支持部とを有するレンズ体が開示されている。支持部の当接面（基板に接触する面）には、円柱形状の凸部（ボス）が形成されており、基板には、前記凸部に対応する貫通孔が形成されている。レンズ体の支持部の凸部を基板に形成された貫通孔に嵌め込むことで、レンズ体（複数のレンズ）は、基板上に位置決めされる。

特開２０１０−１６５６８３号公報

従来の位置決め方法では、図１Ａに示されるように、光束制御部材１０の当接面１２から突出した円柱形状のボス１４を、当接面１２が基板２０に当接するように基板２０の円柱形状の貫通孔２２に嵌め込むことで、光束制御部材１０を基板２０上に位置決めしていた。この後、ボス１４の基板裏面２４から突出した部分と基板２０とを溶着することで、光束制御部材１０を基板２０上に固定することもある。このように光束制御部材１０が基板２０に固定されて高温環境下に置かれた場合、光束制御部材１０と基板２０との線膨張係数の差によって光束制御部材１０の方が基板２０よりも膨張量が大きくなるため、ボス１４の基端部の角（図１Ａにおいて矢印で示す）に応力が集中してしまい、ボス１４が破損してしまうことがある。

上記問題点を解消する手段としては、図１Ｂに示されるように、ボス１４の基端部の角（図１Ｂにおいて矢印で示す）をＲ面とすることが考えられる。ボス１４の基端部の角をＲ面とすることで、応力の集中を防いで、ボス１４の破損を抑制することができる。しかしながら、ボス１４の基端部の角をＲ面とすると、光束制御部材１０の当接面１２と基板２０との間に隙間ができてしまい、基板２０に対して光束制御部材１０を適切に位置決めすることができない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、光束制御部材の位置決め精度を維持しつつ、ボスの強度を向上させた光束制御部材を提供することを目的とする。また、本発明は、この光束制御部材を有する発光装置、および発光装置を有する照明装置を提供することも目的とする。

本発明の光束制御部材は、発光素子から出射された光の配光を制御する光制御出射面と、前記光制御出射面の反対側に位置する裏面と、前記裏面側に形成された位置決め用ボスと、前記ボスの基端部の周囲に形成された環状凹部と、を有し、前記環状凹部は、前記ボスの基端部の外周面に滑らかに繋がる、前記ボスの軸方向の断面形状が弧状の内側面を含む構成を採る。

本発明の発光装置は、発光素子と、本発明の光束制御部材とを有する構成を採る。

本発明の照明装置は、本発明の発光装置と、前記発光装置からの光を照射される被照射面と、を有する構成を採る。

本発明の光束制御部材は、ボスの基端部に応力が集中しないため、ボスの強度に優れている。また、本発明の光束制御部材は、ボスの基端部近傍の当接面を平面にすることができるため、基板に対する光束制御部材の位置決め精度を維持することができる。

図１Ａ，Ｂは、従来の光束制御部材の問題点を説明するための、光束制御部材および基板の部分拡大断面図である。 図２は、実施の形態１の面光源装置の平面図である。 図３は、図２に示されるＡ−Ａ線の断面図である。 図４Ａ〜Ｃは、実施の形態１の光束制御部材の構成を示す図である。 図５Ａ，Ｂは、図４Ｃに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。 図６Ａ，Ｂは、実施の形態１の光束制御部材の固定方法を示す断面図である。 図７Ａ〜Ｃは、実施の形態２の光束制御部材の構成を示す図である。 図８Ａ，Ｂは、図７Ｃに示されるＣ−Ｃ線の断面図である。 図９Ａ，Ｂは、実施の形態２の光束制御部材の固定方法を示す断面図である。 図１０Ａ，Ｂは、実施の形態２の光束制御部材の固定方法の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明の照明装置の代表例として、液晶表示装置のバックライトなどに適する面光源装置について説明する。これらの面光源装置は、面光源装置からの光を照射される被照射部材（例えば液晶パネル）と組み合わせることで、表示装置として使用されうる。

［実施の形態１］
［照明装置および発光装置の構成］
図２は、本発明の実施の形態１の面光源装置の構成を示す平面図である。図３は、図２に示されるＡ−Ａ線の断面図である。

図２および図３に示されるように、実施の形態１の面光源装置１００は、基板１１０、複数の発光装置１２０、および光拡散部材１５０を有する。

複数の発光装置１２０は、所定の配列および間隔で基板１１０の上に配置されている。複数の発光装置１２０は、それぞれ発光素子１３０および光束制御部材１４０を有している。

基板１１０は、発光装置１２０を支持する矩形状の平板である。基板１１０には、光束制御部材１４０を位置決めするための複数の貫通孔１１２が形成されている。貫通孔１１２の形状は、特に限定されないが、例えば略円柱状である。

発光素子１３０は、面光源装置１００（および発光装置１２０）の光源であり、基板１１０の上に固定されている。発光素子１３０は、例えば白色発光ダイオードなどの発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

光束制御部材１４０は、発光素子１３０から出射された光の進行方向を制御する拡散レンズである。光束制御部材１４０は、光制御出射面１４１（後述）の中心軸ＣＡが発光素子１３０の光軸ＬＡに一致するように、発光素子１３０の上に配置されている。光束制御部材１４０は、裏面１４３側（基板１１０側）に位置決め用のボス（凸部）１４５を有している。後述するように、基板１１０上に発光素子１３０を固定した後に、基板１１０の貫通孔１１２に光束制御部材１４０のボス１４５を嵌め込むことで、光束制御部材１４０は、基板１１０上の適切な位置に位置決めされる（図６Ａ参照）。この後、ボス１４５の基板裏面側に突出した部分を溶着することで、光束制御部材１４０は、基板１１０上の適切な位置に固定される（図６Ｂ参照）。

光束制御部材１４０は、一体成形により形成されている。光束制御部材１４０の材料は、所望の波長の光を通過させ得るものであれば特に限定されない。たとえば、光束制御部材１４０の材料は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）などの光透過性樹脂、またはガラスである。

本発明の面光源装置１００は、光束制御部材１４０の構成に主たる特徴を有する。そこで、光束制御部材１４０については、別途詳細に説明する。

光拡散部材１５０は、光拡散性を有する板状の部材であり、光束制御部材１４０からの出射光を拡散させつつ透過させる。通常、光拡散部材１５０は、液晶パネルなどの被照射部材とほぼ同じ大きさである。たとえば、光拡散部材１５０は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、スチレン・メチルメタクリレート共重合樹脂（ＭＳ）などの光透過性樹脂により形成される。光拡散性を付与するため、光拡散部材１５０の表面に微細な凹凸が形成されているか、または光拡散部材１５０の内部にビーズなどの光拡散子が分散している。

本発明の面光源装置１００では、各発光素子１３０から出射された光は、光束制御部材１４０により基板１１０の面方向に拡げられ、さらに光拡散部材１５０により拡散される。その結果、本発明の面光源装置１００は、面状の被照射部材（例えば液晶パネル）を均一に照らすことができる。

［光束制御部材の構成］
図４および図５は、実施の形態１の光束制御部材１４０の構成を示す図である。図４Ａは、光束制御部材１４０の平面図であり、図４Ｂは、光束制御部材１４０の正面図であり、図４Ｃは、光束制御部材１４０の底面図である。また、図５Ａは、図４Ｃに示されるＢ−Ｂ線の断面図であり、図５Ｂは、図５Ａにおいて破線で示される部分の拡大図である。

図４Ａ〜Ｃおよび図５Ａ，Ｂに示されるように、光束制御部材１４０は、光制御出射面１４１、凹部１４２、裏面１４３、鍔部１４４、複数のボス１４５および複数の環状凹部１４６を有する。

光制御出射面１４１は、発光素子１３０から出射され、光束制御部材１４０の内部に入射した光の配光を制御する。光制御出射面１４１は、中心軸ＣＡを軸とする回転対称面であり（図４Ａ，Ｂおよび図５Ａ参照）、鍔部１４４よりも上側に向けて突出している。

光制御出射面１４１は、光制御出射面１４１の中心軸ＣＡを中心とする所定範囲に位置する第１出射面１４１ａと、第１出射面１４１ａの周囲に連続して形成される第２出射面１４１ｂと、第２出射面１４１ｂと鍔部１４４とを接続する第３出射面１４１ｃとを有する。第１出射面１４１ａは、下側（発光素子１３０側）に凸の滑らかな曲面である。第１出射面１４１ａの形状は、球面の一部を切り取ったような凹形状である。第２出射面１４１ｂは、第１出射面１４１ａの周囲に位置する、上側に凸の滑らかな曲面である。第２出射面１４１ｂの形状は、円環面の一部を切り取ったような凸形状である。第３出射面１４１ｃは、第２出射面１４１ｂの周囲に位置する曲面である。第３出射面１４１ｃの断面は、図５Ａに示される断面において、直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。

凹部１４２は、光束制御部材１４０の下側（発光素子１３０側）の中央部に形成されている。凹部１４２の内面は、入射面１４２ａとして機能する。入射面１４２ａは、発光素子１３０から出射された光の大部分を、その進行方向を制御しつつ光束制御部材１４０の内部に入射させる。入射面１４２ａは凹形状の回転対称面であり、光制御出射面１４１の中心軸ＣＡと入射面１４２ａの中心軸とは一致している。

裏面１４３は、光制御出射面１４１の反対側に位置し、凹部１４２の開口縁部から径方向に延在する平面である。本実施の形態の光束制御部材１４０では、裏面１４３は、基板１１０と当接する当接面となる（図３参照）。

鍔部１４４は、光制御出射面１４１の外周部と裏面１４３の外周部との間に位置し、径方向外側に突出している。鍔部１４４の形状は、略円環状である。鍔部１４４は、必ずしも必要ではないが、鍔部１４４を設けることで、光束制御部材１４０の取り扱いおよび位置合わせが容易になる。鍔部１４４の厚みは、特に限定されず、光制御出射面１４１の必要面積や鍔部１４４の成形性などを考慮して決定される。

ボス１４５は、裏面１４３から裏面１４３に対して垂直方向に突出するように形成されている、光束制御部材１４０を基板１１０上に位置決めするための凸部である。後述するように、基板１１０の貫通孔１１２にボス１４５を嵌め込むことで、光束制御部材１４０は、基板１１０上の適切な位置に位置決めされる。図４Ｃに示される例では、３つのボス１４５が、互いの中心間距離が一定となるように裏面１４３の外周部上に形成されている。なお、ボス１４５の数は、光束制御部材１４０を基板１１０上に適切に位置決めすることができれば特に限定されない。

ボス１４５の形状は、特に限定されず、基板１１０に形成される貫通孔１１２の形状に合わせて適宜選択されうる。本実施の形態の光束制御部材１４０では、貫通孔１１２およびボス１４５の形状は、いずれも略円柱状である。この場合、ボス１４５の直径は、貫通孔１１２の直径よりもわずかに小さい。

環状凹部１４６は、ボス１４５の基端部（ボス１４５と裏面１４３との接続部位）を囲うように、裏面１４３に形成された円環状の溝である。環状凹部１４６の数は、ボス１４５の数と同じである。環状凹部１４６の形状は、ボス１４５の中心軸を軸とする回転対称である。環状凹部１４６は、少なくとも、内側面１４６ａおよび外側面１４６ｂを有する。

内側面１４６ａは、環状凹部１４６の内側（ボス１４５側）の側面である。内側面１４６ａは、ボス１４５の基端部の外周面に滑らかに繋がるＲ面である。図５Ｂに示されるように、環状凹部１４６をボス１４５の軸方向に切断した場合、内側面１４６ａの断面形状は、弧状（例えば、円弧、楕円弧）である。このように内側面１４６ａをＲ面とすることで、ボス１４５に力が加わった場合であってもボス１４５の基端部に応力が集中することを防ぐことができる。

外側面１４６ｂは、環状凹部１４６の外側の側面である。外側面１４６ｂは、内側面１４６ａと裏面１４３の間に位置している。外側面１４６ｂの形状は、特に限定されない。図５Ｂに示される例では、外側面１４６ｂの形状は、略円筒状である。図５Ｂに示されるように、環状凹部１４６をボス１４５の軸方向に切断した場合、外側面１４６ｂの断面形状は、直線であってもよいし、曲線（例えば円弧）であってもよい。

また、内側面１４６ａと外側面１４６ｂとの間には、さらに底面が設けられていてもよい。この場合、底面の形状は、特に限定されない。たとえば、底面は、平面であってもよい。

［光束制御部材の固定方法］
図６Ａ，Ｂは、光束制御部材１４０を基板１１０上に固定する方法を示す断面図である。図６では、発光素子１３０を省略している。

まず、図６Ａに示されるように、基板１１０に形成された貫通孔１１２に光束制御部材１４０のボス１４５を篏合させて、基板１１０の所定の位置に光束制御部材１４０を位置決めする。このとき、光束制御部材１４０の裏面１４３は、基板１１０と面で接触する。次いで、図６Ｂに示されるように、ボス１４５の基板１１０の裏面から突出している部分と基板１１０の裏面とを溶着して、光束制御部材１４０を固定する。

以上の手順により、光束制御部材１４０を基板１１０上の所定の位置に固定することができる。このように作成された発光装置１２０は、高温環境下においてボス１４５に応力が加わるが、ボス１４５と裏面１４３との接続部がＲ面となっているため、ボス１４５の基端部に応力が集中せず、ボス１４５は破損しない。

［効果］
実施の形態１の光束制御部材１４０は、ボス１４５の基端部に応力が集中しないため、ボス１４５の強度に優れている。また、実施の形態１の光束制御部材１４０は、ボス１４５の基端部近傍の当接面（裏面１４３）が平面であるため、基板１１０上に高精度に位置決めされうる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の面光源装置および発光装置は、実施の形態１の光束制御部材１４０の代わりに実施の形態２の光束制御部材２４０を有する点において、実施の形態１の面光源装置１００および発光装置１２０と異なる。そこで、本実施の形態では、実施の形態２の光束制御部材２４０についてのみ説明する。

［光束制御部材の構成］
図７および図８は、実施の形態２の光束制御部材２４０の構成を示す図である。図７Ａは、光束制御部材２４０の平面図であり、図７Ｂは、光束制御部材２４０の正面図であり、図７Ｃは、光束制御部材２４０の底面図である。また、図８Ａは、図７Ｃに示されるＣ−Ｃ線の断面図であり、図８Ｂは、図８Ａにおいて破線で示される部分の拡大図である。
なお、実施の形態１の光束制御部材１４０と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図７Ａ〜Ｃおよび図８Ａ，Ｂに示されるように、光束制御部材２４０は、光制御出射面１４１、凹部１４２、裏面１４３、鍔部１４４、座部２４１、複数のボス１４５および環状凹部１４６を有する。

座部２４１は、裏面１４３から裏面１４３に対して垂直方向に突出するように形成されている、発光素子１３０に対する光束制御部材２４０の位置（高さ）を調整するための凸部である。座部２４１は、基板１１０と光束制御部材２４０の裏面１４３との間に隙間を作り、発光素子１３０から生じる熱を外部に逃がす機能も担っている。座部２４１の形状は、特に限定されない。図７Ｃに示される例では、座部２４１の形状は、円柱状である。本実施の形態の光束制御部材２４０では、座部２４１の上面２４１ａ（裏面１４３と平行な面）は、基板１１０と当接する当接面となる（図９参照）。座部２４１の幅および高さは、目的に応じて適宜調整されうる。

実施の形態２の光束制御部材２４０では、ボス１４５は、座部２４１の当接面２４１ａから突出するように形成されている。また、環状凹部１４６は、裏面１４３ではなく、座部２４１の当接面２４１ａに形成されている。このとき、環状凹部１４６の当接面２４１ａからの深さが座部２４１の高さより浅くなるように、環状凹部１４６の深さおよび座部２４１の高さは調整されている。したがって、環状凹部１４６は、裏面１４３よりも基板１１０側に位置するため、光束制御部材２４０内の光路に干渉し難くなる。

［光束制御部材の固定方法］
図９Ａ，Ｂは、光束制御部材２４０を基板１１０上に固定する方法を示す断面図である。図９では、発光素子１３０を省略している。

まず、図９Ａに示されるように、基板１１０に形成された貫通孔１１２に光束制御部材２４０のボス１４５を篏合させて、基板１１０の所定の位置に光束制御部材２４０を位置決めする。このとき、座部２４１の当接面２４１ａは、基板１１０と面で接触する。次いで、図９Ｂに示されるように、ボス１４５の基板１１０の裏面から突出している部分と基板１１０の裏面とを溶着して、光束制御部材２４０を固定する。

以上の手順により、光束制御部材２４０を基板１１０上の所定の位置に固定することができる。このように作成された発光装置１２０は、高温環境下においてボス１４５に応力が加わるが、ボス１４５と座部２４１との接続部がＲ面となっているため、ボス１４５の基端部に応力が集中せず、ボス１４５は破損しない。

［効果］
実施の形態２の光束制御部材２４０は、実施の形態１の光束制御部材１４０と同様の効果を有する。実施の形態２の光束制御部材２４０は、光束制御部材１４０本体（光制御出射面１４１と裏面１４３との間の部分）ではなく、座部２４１に環状凹部１４６を形成しているため、光束制御部材２４０の光学特性への影響を最小限に抑え、本発明の効果を発揮させることができる。

なお、上記各実施の形態では、本発明の光束制御部材が拡散レンズである場合について説明したが、本発明の光束制御部材は拡散レンズに限定されない。たとえば、本発明の光束制御部材は、集光レンズであってもよい。

また、上記各実施の形態では、光束制御部材のボスを基板の貫通孔に嵌合させて光束制御部材を基板上に固定する場合について説明したが、光束制御部材の固定方法はこれに限定されない。図１０Ａ，Ｂは、光束制御部材を基板上に固定する方法の変形例を示す断面図である。図１０に示されるように、光束制御部材３４０が短いボス３４５を有する場合には、発光素子１３０が固定されている基板１１０の表面にボス３４５の底面を当接させ、接着剤３１０によって接着することで、光束制御部材３４０を基板１１０の上に固定してもよい。

本発明の光束制御部材、発光装置および照明装置は、例えば、液晶表示装置のバックライトや一般照明などに適用することができる。

１０ 光束制御部材
１２ 当接面
１４ ボス
２０ 基板
２２ 貫通孔
２４ 裏面
１００ 面光源装置
１１０ 基板
１１２ 貫通孔
１２０ 発光装置
１３０ 発光素子
１４０，２４０，３４０ 光束制御部材
１４１ 光制御出射面
１４１ａ 第１出射面
１４１ｂ 第２出射面
１４１ｃ 第３出射面
１４２ 凹部
１４２ａ 入射面
１４３ 裏面
１４４ 鍔部
１４５，３４５ ボス
１４６ 環状凹部
１４６ａ 内側面
１４６ｂ 外側面
１５０ 光拡散部材
２４１ 座部
２４１ａ 座部の上面（当接面）
３１０ 接着剤
ＬＡ 発光素子の光軸
ＣＡ 光制御出射面の中心軸

Claims (6)

1. 発光素子から出射された光の配光を制御する光制御出射面と、
   前記光制御出射面の反対側に位置する裏面と、
   前記裏面側に形成された位置決め用ボスと、
   前記ボスの基端部の周囲に形成された環状凹部と、を有し、
   前記環状凹部は、前記ボスの基端部の外周面に滑らかに繋がる、前記ボスの軸方向の断面形状が弧状の内側面を含む、
   光束制御部材。
2. 前記裏面には、前記裏面から突出するように形成された座部が形成されており、
   前記ボスは、前記座部の当接面から突出するように形成されており、
   前記環状凹部は、前記座部の当接面に形成されている、
   請求項１に記載の光束制御部材。
3. 前記環状凹部の前記当接面からの深さは、前記座部の高さより浅い、請求項２に記載の光束制御部材。
4. 前記ボスは、前記裏面から突出するように形成されており、
   前記環状凹部は、前記裏面に形成されている、
   請求項１に記載の光束制御部材。
5. 発光素子と、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の光束制御部材と、
   を有する、発光装置。
6. 請求項５に記載の発光装置と、
   前記発光装置からの光を照射される被照射面と、
   を有する、照明装置。

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