JP2018137167A

JP2018137167A - 導光体及び電子機器

Info

Publication number: JP2018137167A
Application number: JP2017032136A
Authority: JP
Inventors: 和彦榎並; Kazuhiko Enami; 良和石井; Yoshikazu Ishii
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2018-08-30

Abstract

【課題】入射面の光拡散性と出射面への集光性を改善することにより、拡散による減光と集光での発光ムラを生じさせない導光体を提供する。【解決手段】光導光体１０は、光源３から出射された光を入射する入射面１１と、該入射面１１から入射して内部を透過した光を外部に出射する出射面１２とを備える。入射面１１には光源３からの光を入射する凹部１３を有し、入射面１１と出射面１２との間には、入射面１１から入射した光をそれぞれ異なる傾斜角で出射面１２側に全反射する複数の反射面Ｒ1〜Ｒnを光の進路方向に順次形成した側面を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源からの光を伝える導光体及び電子機器に関する。

一般に、光ファイバ等の導光体は、装置内部の基板等に実装された光源（チップＬＥＤなど）の光を導光体の入射面から取り込み、導光体内を反射させながら出射面まで光を伝え、出射面から光を外に放出することで装置表面にてＬＥＤ光を視認するために用いられる。この場合、入射光を効率よく出射面に集光できることが求められるため、ＬＥＤの指向特性、導光体材質の屈折率を考慮して、導光体側面（反射面）の傾斜角を調整することでその集光性を確保する手法が一般的である。

また、導光体は集光だけでなく、ＬＥＤバックライトや照明器具など光源の光を広範囲に一様に光らせることを目的とした導光板として用いられることも多い。この場合は、入射面から取り込んだ光をより広く拡散させる効果を得るため、下記特許文献１、２に記載のように導光体の入射面を凹ませることで入射光を拡散させる形状とすることが知られている。

特開２０１５−１４９１３３号公報ＷＯ２０１３／１６４８９８号

しかしながら、導光体の入射面部で光を拡散させた場合はその光の強さも相対的に弱くなるため、光源の光を導光体内で拡散させると出射面では光が暗くなるという問題点がある。これを回避するには、導光体の拡散性を落とすか、或いは拡散で減少する光量を予め光源の強さを強く設定することで補う（例えば、チップＬＥＤの場合は、消費電力を上げて光を強くする）必要があった。

また、従来の導光体の形状では、集光性を確保するための導光体側面の傾斜角調整にも限度があり、その調整範囲を超える光路補正はできないので、導光体の形状によっては光路に偏りが生ずる。このため、入射光を出射面に効率よく集光させることができず、出射面を外部から見た際の視認方向によって出射面が均一に光らない（明るく見える箇所と暗く見える箇所ができる）発光ムラが発生し、視認性が悪いという問題点があった。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、光源から出射された光を入射する入射面と、該入射面から入射した光が内部を透過して外部に出射する出射面とを備える導光体において、入射面の光拡散性と出射面への集光性を改善することにより、拡散による減光と集光での発光ムラを生じさせない導光体及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明の導光体は、光源から出射された光を入射する入射面と、該入射面から入射して内部を透過した光を外部に出射する出射面とを備える導光体であって、
入射面には光源からの光を入射する凹部を有し、
入射面と出射面との間には、入射面から入射した光をそれぞれ異なる傾斜角で出射面側に全反射する複数の反射面を光の進路方向に順次形成した側面を備えることを特徴とする。

本発明の電子機器は、
光源と、
光源からの出射光が入射される入射面、及び入射面から入射した光を伝達して外部に出射する出射面を備える導光体と、を有し、
導光体は、
入射面に光源からの光を入射する凹部を有し、
入射面と出射面との間には、入射面から入射した光をそれぞれ異なる傾斜角で出射面側に全反射する複数の反射面を光の進路方向に順次形成した側面を備えることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る導光体を内蔵した装置の部分断面図。導光体の形状を示す図。導光体における光路の例を示す図。導光体の入射面での光の屈折による指向角度を示す図。導光体の反射１回目の光の指向角度を示す図。導光体の反射２回目の光の指向角度を示す図。導光体の出射面に対向する反射面の条件を示す図。実施例の導光体の形状と各部寸法を示す図。

図１は、本発明の一実施形態に係る導光体を内蔵した通信機器等の装置の部分断面図である。

この装置（電子機器）は、筐体１と、その内部に設置した基板２とを備える。基板２上にはＬＥＤからなる光源３が配置されると共に、ＬＥＤを駆動制御する電源回路（図示省略）が設置されている。筐体１内には、基板２上の光源３から出た光を、筐体１の表示部に形成された開口４に位置する出射面まで導く導光体１０が配置されている。

導光体１０は略円柱形状で、光源３側に入射面１１、筐体１の開口４側に出射面１２を有し、その円形断面の直径方向両側にそれぞれ複数の反射面Ｒ1、Ｒ2、・・・、Ｒn-1、Ｒn（ｎは4以上の整数）を有している。

導光体１０の材質は、ポリカーボネートやアクリルのような透明な樹脂材であり、その屈折率ηは材質によって決められる。例えば、上記の樹脂材の場合、１．４〜１．７の範囲である。なお、導光体１０は、後述のようにその屈折率に応じて入射面の凹部形状や反射面の傾斜角が設定されるので、材質は上記の樹脂材に限らない。

図２に示すように、導光体１０は、光源３の発光面に垂直な軸Ａy（これを長さ方向の軸とする）に対して非対称な形状に形成されている。この形状は、後述のように傾斜角度が異なる複数の反射面Ｒ1、Ｒ2、・・・、Ｒn-1、Ｒnを構成する円錐台が中心軸方向に連なることで非対称な略円柱形状となっている。

なお、導光体の形状は略円柱形に限らず、幅が異なる複数の角錐台が軸方向に連なることで形成される非対称な角柱形であってもよい。

入射面１１は、光源３の発光面に平行な軸Ａx（これを水平方向の軸とする）に対して平行で、その中心部に底面の直径D13、深さH13の円錐形状の凹部１３を有している。凹部１３の底面の直径D13は、光源３の幅W3よりも大きく（D13＞W3）、深さH13は、入射面１１の両側に隣接した反射面Ｒ1、Ｒ2（長さL1、L2）の鉛直方向（入射面に垂直方向、すなわち軸Ａyの方向）の長さL1 sinθ1、L2 sinθ2よりも小さく設定されている（H13＜L1 sinθ1、H13＜L2 sinθ2）。これにより、光の拡散性を高めることができる。入射面１１で屈折する光の指向角度については、後で詳述する。

各反射面Ｒ1〜Ｒnは、それぞれ水平方向（すなわち、入射面１１に平行な方向）に対して所定の角度θ1〜θnで傾斜し、これらの傾斜角θ1〜θnは、入射面１１から入射した光が導光体側面で全反射するように設定されている。これにより、入射光を効率良く導光体上部の出射面１２側に導くことができる。各反射面Ｒ1〜Ｒn）の傾斜角θ1〜θnの決定方法については、後で詳述する。

更に、出射面１２と対向した出射側の反射面Ｒnの傾斜角θnは、全反射した光が出射面１２全体に届くように設定されている。そのための反射面Ｒnと出射面１２の条件については、後述する。また、出射側の反射面Ｒnの長さLnは、出射面１２の長さLgより長く設定されている（Ln＞Lg）。これにより、より多くの光を出射面１２に導くことができる。

出射面１２は、水平軸Ａxに対し傾斜角θgで傾斜している（θg≠0）。

ここで、屈折率の異なる２つの媒質ｉ，ｒの境界面での光の屈折について説明する。

媒質ｉの屈折率をηi、媒質ｒの屈折率をηr（この場合ηi＜ηrとする）、媒質ｉから媒質ｒへの入射角をθi、屈折角をθrとすれば、媒質ｉに対する媒質ｒの屈折率ηirは、スネルの法則により次式で表わされる。

また、光が媒質ｒから媒質ｉに向かう場合（ηi＜ηr）、媒質ｉ，ｒの境界面で全反射する条件は、入射角θが臨界角θmよりも大きいことである。すなわち、
θ＞θm

従って、全反射条件は、

上記式(1)、(2)より、図１に示された導光体による光の屈折及び全反射の条件が次のように導かれる。

＜入射面での屈折による光の指向角度＞
図４に示すように、前提条件を次のように設定する。
・媒質ｉ（空気）の屈折率：ηi＝1.000292（0℃、1気圧の場合）
・媒質ｒ（導光体）の屈折率：ηr＝1.4〜1.7（材質に依存）
・ＬＥＤ光源から入射面に向かう光の指向角度（鉛直軸Ａyと成す角度）：θ₀₁
・入射面の凹部ｊの幅：jW
・入射面の凹部ｊの高さ：jH
図４において、凹部ｊと鉛直軸Ａｙの成す角度θ₀₂は、

三角形ａｂｃの内角の和は180°、すなわち
θ₀₁＋θ₀₂＋θ₀₃＋90°＝180°
であるから、凹部jに入射する光の入射角θ₀₃は、
θ₀₃＝90°−θ₀₁−θ₀₂ ・・・(4)
となる。

凹部ｊに入射した光の屈折角をθ₀₄とすると、上記の式(1),(3),(4)より、

上記より、凹部ｊに入射後の光の指向角度（鉛直軸Ａyと成す角度）θ₁₀は、次のように表わされる。

＜反射１回目の光の指向角度＞
図５に示すように、前提条件を次のように設定する。
・光の指向角度（鉛直軸Ａyと成す角度）：θ₁₀
・反射面の傾斜角度（水平軸Ａxと反射面の成す角度）：θ₁₁
図５において、三角形ｂｄｅの内角の和が180°、すなわち
θ₁₁＋（90°−θ₁₀）＋（90°−θ₁₂）＝180°
であるから、反射面への入射角θ₁₂は、
θ₁₂＝θ₁₁−θ₁₀ ・・・(7)
となる。

全反射条件はθ₁₂＞θmであるから、上記式(2)より、傾斜角θ₁₁は以下の条件を満たす必要がある。

また、反射後の光の指向角度（鉛直軸Ａyと成す角度）をθ₂₀とすると、
θ₂₀＋2θ₁₂＋θ₁₀＝180°
であるから、
θ₂₀=180°−θ₁₀−2θ₁₂
=180°−θ₁₀−2（θ₁₁−θ₁₀）
=180°＋θ₁₀−2θ₁₁ ・・・ (9)
と表すことができる。

＜反射２回目の指向角度＞
図６に示すように、前提条件を次のように設定する。
・光の指向角度（鉛直軸Ａyと成す角度）：θ₂₀
・反射面の傾斜角度（水平軸Ａxと反射面の成す角度）：θ₂₁
図６において、三角形ｅｆｇの内角の和は180°、すなわち
θ₂₁＋（90°−θ₂₀）＋（90°−θ₂₂）＝180°
であるから、反射面への入射角θ₂₂は
θ₂₂＝θ₂₁−θ₂₀ ・・・(10)
となる。

全反射条件はθ₂₂＞θmであるから、上記式(2)より、傾斜角θ₂₂は以下の条件を満たす必要がある。

また、２回反射後の光の指向角度（鉛直軸Ａyと成す角度）をθ₃₀とすると、
θ₃₀＋2θ₂₂＋θ₂₀＝180°
であるから、
θ₃₀＝180°−θ₂₀−2θ₂₂
=180°−θ₂₀−2（θ₂₁−θ₂₀）
=180°＋θ₂₀−2θ₂₁ ・・・ (12)
で表すことができる。

＜反射ｐ回目の角度計算＞
前提条件を次のように設定する。
・光の指向角度（鉛直軸Ａyと成す角度）：θ_p0
・反射面の傾斜角度（水平軸Ａxと反射面の成す角度）：θ_p1
ｐ回目の反射でも反射１回目、２回目と同様の関係式が成り立つので、上記式(3)〜(12)より、反射面への入射角θ_p2は、
θ_p2＝θ_p1−θ_p0 ・・・(13)
となる。

全反射条件はθ_p2＞θmであるから、上記式(2)より、傾斜角θ_p1は以下の条件を満たす必要がある。

また、ｐ回反射後の光の指向角度（鉛直軸Ａyと成す角度）をθ_(p+1)0とすると、
θ_(p+1)0＝180°＋θ_p0−2θ_p1 ・・・(15)
で表すことができる。

＜導光体の出射面に対向する反射面の条件＞
図７に示すように、出射面１２に対向する反射面Ｒnで全反射した光が出射面１２に向かうためには、反射面Ｒnとその最下点ｑでの臨界角θmのライン（臨界角ライン）より上の領域（ハッチングを付した部分）内に出射面１２が入ること、言い換えると、反射面Ｒnの最下点ｑでの臨界角ラインより上方に出射面１２の最下点ｓが位置することが必要である。

すなわち、入射面１１に平行な方向に対してそれぞれ所定の角度（θ1〜θn）傾斜した当該複数の反射面Ｒ1〜Ｒnのうち、出射面１２に対向した出射側の反射面（Ｒn）の傾斜角（入射面１１に平行な方向に対する角度）θnは、当該反射面（Ｒn）の最下点（すなわち、入射面１１に最も近い位置）での臨界角ラインより上方（すなわち、入射面１１から遠い位置）に出射面１２の最下点が位置するように設定され、出射側の反射面（Ｒn）の長さLnは、出射面１２の長さLgより長く設定されている。

以上のように各部の傾斜角等を設定して形成された導光体１０に対して、光源３から入射した光は、次のように進行する。

図３に光路ｋで示すように、光源３から出射した光は、導光体１０の入射面１１の凹部１３の形状により、入射面１１で鉛直軸Ａyに対する角度がより大きくなる（拡散する）方向に屈折し、入射面１１から内部に入射した光は、反射面Ｒ1〜Ｒnに当る度に全反射しながら出射面１２側に進む。

ここで、反射面Ｒ1〜Ｒnは、上記のように設定された傾斜角及び長さで形成されているので、図示のように光路ｋを進んで出射面１２に集光された光により、筐体１の表示部が外部より視認される。

以上のように、本実施形態によれば、導光体１０は、入射面と出射面との間に、入射面から入射した光をそれぞれ異なる傾斜角で出射面側に全反射する複数の反射面を光の進路方向に順次形成した側面を備えている。従って、入射面の凹部に入射した光を拡散する方向に屈折させることで光の拡散性が向上する。また、入射面から入射した光が側面に順次形成された複数の反射面の各々異なる傾斜角度で全反射することにより、入射光は効率良く出射面に導かれる。かくして、拡散での減光と集光での発光ムラの問題を改善した導光体が提供される。

より詳細には、導光体１０の入射面１１に凹部１３を形成することで、導光体１０に入射した光を拡散する方向に屈折させ、その後に導光体側面の反射面Ｒ1〜Ｒnで全反射させながら光を効率良く出射側に導く。その際、光が出射面１２全体に届くように反射面Ｒnの傾斜角θnが設定されると共に、出射面１２の長さLgよりも長く設定された反射面Ｒnにより多くの反射光を出射面１２全体に集光させる。これにより、拡散での減光と集光での発光ムラの両方を低減させることができる。

本実施形態の導光体は、例えば、内部に搭載した光源からの光を装置表面に設けた表示部に伝導して視認可能にするゲートウェイ等の通信機器に好適に用いられる。

図８に、材質がポリカーボネート（屈折率ηr＝1.585）で、非対称な両側反射面の数を４（ｎ＝４）として設計した導光体の形状と各部寸法（長さの単位はミリメートル）を示す。

以上のとおり、実施形態について説明したが、本発明は、これらに限られるものではない。特に、導光体の形状とサイズは、その用途等に応じて適宜選択及び変更可能である。

１筐体
２基板
３光源
４開口
１０導光体
１１入射面
１２出射面
１３凹部

Claims

光源から出射された光を入射する入射面と、前記入射面から入射して内部を透過した光を外部に出射する出射面とを備える導光体であって、
前記入射面には前記光源からの光を入射する凹部を有し、
前記入射面と前記出射面との間には、前記入射面から入射した光をそれぞれ異なる傾斜角で前記出射面側に全反射する複数の反射面を光の進路方向に順次形成した側面を備えることを特徴とする導光体。
請求項１記載の導光体であって、前記凹部は、前記入射面の中心部に円錐形に凹んで形成され、その深さは、前記入射面の両側に隣接した反射面の前記入射面に垂直な方向の長さより小さく設定されていることを特徴とする導光体。
請求項１又は２に記載の導光体であって、前記複数の反射面は、前記入射面に平行な方向に対してそれぞれ所定の角度で傾斜し、前記複数の反射面の各傾斜角は、前記入射面から入射した光が当該反射面で全反射するように設定されていることを特徴とする導光体。
請求項３に記載の導光体であって、前記複数の反射面のうち前記出射面に対向した出射側の反射面の傾斜角は、当該反射面の最下点での臨界角ラインより上方に前記出射面の最下点が位置するように設定され、前記出射側の反射面の長さは、前記出射面の長さより長く設定されていることを特徴とする導光体。
光源と、
前記光源からの出射光が入射される入射面、及び前記入射面から入射した光を伝達して外部に出射する出射面を備える導光体と、を有し、
前記導光体は、
前記入射面に前記光源からの光を入射する凹部を有し、
前記入射面と前記出射面との間には、前記入射面から入射した光をそれぞれ異なる傾斜角で前記出射面側に全反射する複数の反射面を光の進路方向に順次形成した側面を備えることを特徴とする電子機器。