JP2018205549A

JP2018205549A - 表示装置

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Publication number: JP2018205549A
Application number: JP2017111178A
Authority: JP
Inventors: 朋民光田; Tomomi Mitsuda; 勇輔佐伯; Yusuke Saeki
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2017-06-05
Filing date: 2017-06-05
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2037-06-05
Also published as: JP6921629B2

Abstract

【課題】視野角が広く、明瞭な表示が可能な表示装置を提供する。【解決手段】表示装置１は、入射した光が全反射を繰り返して内部を進む導光板４と、導光板４の端面に設けられた複数の光源２とで構成され、導光板４には、所定の表示パターンの各画素を生成する画素生成部４ａが設けられている。画素生成部４ａの反射面は、導光板４の中央の領域Ｃでは、入射面と平行に整列され、その両脇の領域Ｌ及び領域Ｒでは、反射面での反射光が導光板４の中心線Ｍの方向に出射されるように、入射面に対して傾斜して整列されている。【選択図】図１

Description

本発明は、導光板の出光面側に所定の表示パターンを表示する表示装置に関する。

従来、遊技機製品等に用いられる表示装置として、アクリル樹脂の透明な導光板の端面から光を入射して、文字や数字、画像等を前面側に表示することができる表示装置が知られている。

例えば、特許文献１の照明装置は、光透過材性のパネル（導光板）を備え、パネル端面に配置された光源からの光が全反射を繰り返しながらパネルの内部を伝播する。また、このパネルは、光出射窓及びその光出射窓に対向して配置された背面窓を有する。

特許文献１の図１Ａは、３つの光源から出射した光を線図的に示し、その光は背面窓の変形部に入射し、その表面で反射される。これにより、照明装置に“ｔｅｘｔ”の文字がライトアップされる（段落００１７，００２４，００２５、図１Ａ，１Ｂ）。

特許第４７４１１４２号公報

しかしながら、特許文献１の照明装置は、正面側に表示パターンを出光させる設計であるため、表示領域が拡大するとパネルからの出光配光角（視野角）を超えたエリアでの視認性が悪化するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、視野角が広く、明瞭な表示が可能な表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、入射した光が全反射を繰り返して内部を進む導光板と、該導光板の端面に設けられた複数の光源とからなり、前記導光板に、前記光源から出射され入射した光を該導光板の出光面側に反射して、所定の表示パターンの各画素を生成する画素生成部が設けられた表示装置であって、前記導光板には、少なくとも、前記光源の光が入射する入射面を２等分する中心線を含む第１領域と、該第１領域の両脇に配置された第２領域及び第３領域とがあり、前記画素生成部の反射面は、前記第１領域では、前記入射面と平行に整列され、前記第２領域及び前記第３領域では、前記反射面での反射光が前記中心線の方向に出射されるように、前記入射面に対して傾斜して整列されていることを特徴とする。

本発明によれば、表示装置の導光板は、その中心線を含む第１領域と、その両脇に配置された第２領域及び第３領域とに分けられている。そして、各領域の画素生成部の反射面は、導光板の光の入射面に対して傾斜角度が異なっている。第１領域では、反射面と導光板の入射面とが平行になるので、反射光は、出光面から垂直に出射される。一方、第２領域及び第３領域では、反射光が入射面の中心線の方向（導光板の中央）に出射されるように、反射面が入射面に対して傾斜している。

例えば、第２領域が導光板の出光面の左側、第３領域が導光板の出光面の右側である場合、第２領域から出射した光は表示装置を観察する観察者の右目に入り、第３領域から出射した光は観察者の左目に入る。これにより、視野角が広く、明瞭な表示が行える表示装置とすることができる。

本発明の表示装置において、前記第２領域及び前記第３領域における前記反射面の前記入射面に対する傾斜角度は、５°〜３０°の範囲であることが好ましい。

この構成によれば、画素生成部の反射面の傾斜角度を５°〜３０°の範囲内で傾斜角度を調整することで、反射光の方向が導光板の中心に傾くように制御することができる。

また、本発明の表示装置において、前記第２領域及び前記第３領域における前記反射面の前記入射面に対する傾斜角度は、前記中心線から離れるにつれて徐々に大きくなることが好ましい。

反射面の傾斜角度を、導光板の中心線からの距離に応じて徐々に大きくすると、導光板の両端部に近い部分から出射された出射光も中心線の方向（導光板の中央）に徐々に大きく傾く。これにより、導光板が大型化しても視野角を大きく保つことができる。

また、本発明の表示装置において、前記光源の光を集光する集光レンズを、前記入射面に設けていることが好ましい。

この構成によれば、集光レンズを入射面に設けることで、光源から出射された光が拡散せずに、導光板の画素生成部に導光される。これにより、導光板が大型されても発光強度が均一になり、より明瞭な表示パターンを表示することができる。

本実施形態の表示装置の基本構成を示す全体斜視図。図１の導光板の表面を拡大した拡大図。導光板で行われる配光制御の原理について説明する図（ｘｙ平面）。導光板で行われる配光制御の原理について説明する図（ｘｚ平面）。反射面バイアス角を変化させたときの反射光のベクトル、反射角度及び出射角度の関係を説明する図。本実施形態の導光板の採用事例を説明する図。２方向から光を入射することが可能な導光板の画素生成部の例（１）。２方向から光を入射することが可能な導光板の画素生成部の例（２）。２方向から光を入射することが可能な導光板の画素生成部の例（３）。

以下、本発明の表示装置の実施形態について説明する。

図１は、表示装置１の基本構成を示す全体斜視図である。表示装置１は、光源２と、光源２から出射された光を集光する集光レンズ３と、入射した光を出光面側（ｚ軸方向）に出射し、所定の表示パターンを表示する導光板４とで構成されている。

光源２は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を一列に並べたものであり、導光板４の端面に配設されている。光源２から出射された光は、主に端面（入射面）に垂直な光軸を有する。なお、発光ダイオードはモノカラーのものに限られず、マルチカラーであってもよい。また、光源として、電界発光素子や放電管等を用いてもよい。

集光レンズ３は、光源２の発光ダイオードに対応させてレンズを一列に並べたものであり、光源２と導光板４との間に配設されている。光源２から出射された光は、集光レンズ３で集光された後、導光板４の端面からその内部に入射する。なお、集光レンズ３を使用せず、光源２から出射された光が直接、導光板４の端面に入射する態様としてもよい。

導光板４は、例えば、透明なアクリル樹脂性の薄板であり、その端面から入射した光が全反射を繰り返して内部を進んでいく。導光板４を湾曲可能な材料で製造することもできる。また、導光板は、図示するような矩形のものが一般的であるが、五角形や六角形等の多角形であってもよい。

導光板４の内部には、微小なプリズム状の画素生成部４ａが多数設けられている。また、画素生成部４ａは、導光板４の内部を進む光を反射する反射面を有している。導光板４の内部を進む光は反射面で反射され、導光板４の出光面側に出射される。

従って、表示する文字や数字、画像等に合わせて画素生成部４ａを配列するようにすれば、画素生成部４ａの反射面で反射された光が表示する文字等の１つの画素を構成し、観測者が画素の組み合わせによる文字等を視認できるようになる。

図示するように、導光板４には、光源２が配設された長軸方向の中心線Ｍを含む文字「Ｂ」の領域Ｃ（本発明の「第１領域」）と、領域Ｃの左側の文字「Ａ」の領域Ｌ（本発明の「第２領域」又は「第３領域」）と、領域Ｃの右側の文字「Ｃ」の領域Ｒ（本発明の「第２領域」又は「第３領域」）とがある。そして、各領域では、画素生成部４ａの反射面の、入射面に対する傾斜が異なっている。

次に、図２に、図１の導光板４の表面を拡大した拡大図を示す。

図示するように、中央の領域Ｃでは、画素生成部４ａ_Ｃの反射面（黒色部）が入射面と平行な状態で整列されている。１つの画素生成部４ａ_Ｃのサイズは約１μｍ×１０μｍであり、実際は、表示パターンに対応して画素生成部４ａ_Ｃが配置されている。

次に、領域Ｌでは、画素生成部４ａ_Ｌの反射面（黒色部）が光の入射面に対して反時計回りに傾斜した状態で整列されている。詳細は後述するが、反射面を傾斜させることで、領域Ｌから出射される出射光が中心線Ｍの方向に傾くようになり、導光板４の視野角を拡大することができる。

また、導光板４では、中心線Ｍから離れるにつれて、すなわち、導光板４の左端になるにつれて、画像生成部４ａ_Ｌの反射面の、入射面に対する傾斜を大きくしている。これにより、領域Ｌの左端側から出射される出射光に関しても中心線Ｍの方向に徐々に大きく傾くようになる。

一方、領域Ｒでは、画素生成部４ａ_Ｒの反射面（黒色部）が光の入射面に対して時計回りに傾斜した状態で整列されている。さらに、中心線Ｍから離れるにつれて、すなわち、導光板４の右端になるにつれて、画像生成部４ａ_Ｒの反射面の、入射面に対する傾斜を大きくしている。これにより、領域Ｒの右端側から出射される出射光に関しても中心線Ｍの方向に徐々に大きく傾くようになる。

実際は、領域Ｃには３列以上の画素生成部４ａが配列されている。また、領域Ｌの画素生成部４ａ_Ｌと領域Ｒの画素生成部４ａ_Ｒとは、例えば、５°刻み、かつ入射面に対して５°〜３０°の範囲の傾斜角度が付けられている。画像生成部４ａ_Ｌと領域Ｒの画素生成部４ａ_Ｒの各反射面の傾斜は、ｘ座標に応じて入射面からの角度が同じ（回転方向は逆）になるように変化させてもよい。なお、画素生成部４ａ_Ｌ及び画素生成部４ａ_Ｒのサイズは、画素生成部４ａ_Ｃと同じである。

画素生成部は、どのような形状であってもよい。例えば、光の入射面が２以上ある導光板では、第１の入射面から光を入射した場合と、第２の入射面から光を入射した場合とで表示パターンが異なるものがある。このような場合、画素生成部は、左右非対称の形状となる。

また、領域Ｌ、領域Ｃ、領域Ｒのうち２つ以上の領域に跨る長軸方向に長い画素生成部があってもよい。このような場合、領域Ｃでは、画素生成部の反射面が入射面と平行になっているが、導光板の長軸方向の端部になるにつれて、反射面の傾斜を大きくすることで、視野角を拡大することができる。

次に、図３Ａ、図３Ｂを参照して、導光板４で行われる配光制御の原理について説明する。

図３Ａは、図２の領域Ｒをさらに拡大した領域Ｒ’の拡大図である。画素生成部４ａ_Ｒはプリズムの形状をしており、導光板４の端面から入射した入射光ｉを３次元方向に反射する。

領域Ｒ’の画素生成部４ａ_Ｒはｘｙ平面上に配置され、反射光は、導光板４の出光面側（ｚ軸方向）に出射される。また、ｘｙ平面上で画素生成部４ａ_Ｒを傾斜させることにより、出射光ｊのｘ軸方向の角度（出射角度θ_out）を制御することができる。

例えば、入射光ｉの光軸のベクトルを（０，１，０）とし、傾斜のない画素生成部（画素生成部４ａ）の反射面の法線ベクトルを（０，ｓｉｎ４５°，ｃｏｓ４５°）とする。

このとき、ｘｙ平面上で画素生成部４ａの反射面を任意の角度（反射面バイアス角）θ_ｐだけ回転させると、反射面の法線ベクトルは、ｚ軸周りの３次元回転行列により、
（−ｓｉｎ４５°・ｓｉｎθ_ｐ，−ｓｉｎ４５°・ｃｏｓθ_ｐ，ｃｏｓ４５°）…（１）
に変換される。

また、反射光ｊのベクトルは、
（−２ｓｉｎθ_ｐ・ｃｏｓθ_ｐ・ｓｉｎ^２４５°，１−２（ｓｉｎ４５°・ｃｏｓθ_ｐ）^２，２ｓｉｎ４５°・ｃｏｓθ_ｐ・ｃｏｓ４５°）…（２）
で与えられる。

次に、図３Ｂは、図３Ａの画素生成部４ａ_Ｒをｘｚ平面上で示した図である。

入射光ｉは、導光板４中のｙ軸方向を進み、画素生成部４ａ_Ｒの反射面で反射される。このとき、反射光ｊは、ｚ軸に対して角度θ_refだけ傾斜する。ここで、反射角度θ_refは、（２）のベクトルのｘ成分、ｚ成分により、
θ_ref＝ｔａｎ^−１｛−２ｓｉｎθ_ｐ・ｃｏｓθ_ｐ・ｓｉｎ^２４５°／２ｓｉｎ４５°ｃｏｓθ_ｐ・ｃｏｓ４５°｝…（３）
で与えられる。

また、反射光ｊは、導光板４から出射するとき屈折するが、ｚ軸に対する角度が反射光ｊの出射角度θ_outである。出射角度θ_outは、導光板４の屈折率をｎとしたとき、
θ_out＝ｓｉｎ^−１（ｎ・ｓｉｎθ_ref）…（４）
で与えられる。

次に、図４に、反射面バイアス角θ_ｐを変化させたときの反射光ｊの反射角度θ_refと、ｘ軸方向の出射角度θ_outの関係を示す。なお、導光板４の屈折率ｎは、アクリル樹脂の屈折率である１．４９を用いた。

例えば、反射面バイアス角θ_ｐが０°の場合、ｓｉｎ０°＝０、ｃｏｓ０°＝１、ｓｉｎ４５°＝ｃｏｓ４５°＝１／√２を利用して（２）を計算すると、反射光ｊのベクトルは、（０，０，１）となる。また、反射角度θ_ref、出射角度θ_outは、それぞれ（３）式、（４）式により、共に０°となる。

また、反射面バイアス角θ_ｐが３０°の場合、ｓｉｎ３０°＝１／２、ｃｏｓ３０°＝√３／２、ｓｉｎ４５°＝ｃｏｓ４５°＝１／√２を利用して（２）を計算すると、反射光ｊのベクトルは、（−０．４３３，０．２５０，０．８６６）となる。

反射角度θ_refは（３）式により−２６．６°となり、出射角度θ_outは（４）式により−４１．８°となる。なお、図中の反射面バイアス角θ_ｐは５°刻みであるが、実際は、もう少し小刻みにすることが多い。

次に、図５を参照して、上記の結果に基づいた導光板の採用事例を説明する。

図５は、導光板４を光の入射面側（ｙ軸方向）から見た側面図である。導光板４は、長軸方向が７００ｍｍあり、中央のエリア（１００ｍｍ）が図１の領域Ｃである。領域Ｃの画素生成部４ａ_Ｃは、反射面バイアス角θ_ｐが０°であるので、反射光は、ｚ軸方向に直進する。

中央のエリアの左側が図１の領域Ｌで、その幅は３００ｍｍである。また、中央のエリアの右側が図１の領域Ｒで、その幅は３００ｍｍである。この左右のエリアでは、反射面バイアス角θ_ｐを５°以上とし、出光効率を考慮して、上限の反射面バイアスθ_ｐを３０°としている。

反射面バイアス角θ_ｐを５°≦θ_ｐ≦３０°の範囲に設定することで、導光板４から４００ｍｍ離れた観測者に対して、表示パターンの視認性がよく、視野角も大きいという結果が確認された。なお、約４００ｍｍ×４００ｍｍの導光板では、導光板から４４０ｍｍ離れた観測者にとって十分な視認性を確保するため、反射面バイアス角θ_ｐを２°≦θ_ｐ≦２０°の範囲で設定するとよい。

最後に、図６Ａ〜図６Ｃを参照して、画素生成部の様々な形状について説明する。

まず、図６Ａ（ａ）に、対向する２方向から光を入射することができる導光板用の画素生成部の例を示す。画素生成部４ｂは高さが０．０５８ｍｍであり、側面に所定の曲率（Ｒ＝０．３３８ｍｍ）が形成されている。

図６Ａ（ｂ）に示されるように、画素生成部４ｂは、１の画素生成部の下辺（０．０３４ｍｍ）と、その下側の画素生成部の上辺（０．０１ｍｍ）とが接触する形で１列に整列され、各列は０．１５ｍｍの間隔を空けて配列されている。

そして、画素生成部４ｂの曲率のある面側から光を入射すると（図６Ａ（ｂ）の矢印方向）、光が出光面側に反射される。反対側から光を入射させた場合にも、観測者は所定の表示パターンを視認することができる。また、両方向から光を入射させた場合には反射光がより多く出射され、明瞭な表示パターンを表示することができる。

また、画素生成部４ｂについても、図１の領域Ｌ及び領域Ｒにおいて、導光板４のｘ軸方向の端部になるにつれて、画素生成部４ｂの下辺の、光軸に対する傾斜角度を大きくしていく。これにより、導光板４の左右の端部から出射される出射光が中心線Ｍの方向に傾くようになるので、表示装置１の視野角を拡大することができる。

次に、図６Ｂ（ａ）に、対向する２方向から光を入射することができる他の画素生成部の例を示す。

画素生成部４ｃは高さが０．１４７ｍｍであり、側面に所定の曲率（Ｒ＝０．８５８ｍｍ）が形成されている。また、図６Ｂ（ｂ）に示されるように、画素生成部４ｃは、１の画素生成部の中心と、その下側の画素生成部の中心とが０．２０ｍｍの間隔を空けて１列に整列され、各列も０．２０ｍｍの間隔を空けて配列されている。

そして、画素生成部４ｃの曲率のある面側から光を入射すると（図６Ｂ（ｂ）の矢印方向）、光が出光面側に反射される。画素生成部４ｃについても、導光板４の左右の端部になるにつれて、画素生成部４ｃの下辺の、光軸に対する傾斜角度を大きくしていく。これにより、導光板４の左右の端部から出射される出射光が中心線Ｍの方向に傾くようになる。

最後に、図６Ｃ（ａ）に、対向する２方向から光を入射することができ、かつ光の入射方向により異なる表示パターンを表示することができる導光板用の画素生成部の例を示す。

画素生成部４ｄは高さが０．１０ｍｍであり、一方の側面に所定の曲率（Ｒ＝０．５７２ｍｍ）が形成され、他方の側面は１００°の角度で開いた２つの壁部となっている。

図６Ｃ（ｂ）に示されるように、画素生成部４ｄは、入射光の光軸（図６Ｃ（ｂ）の矢印方向）に対して約１０°傾斜している。また、１の画素生成部の中心と、その下側の画素生成部の中心とが０．２０ｍｍの間隔を空けて１列に整列され、各列も０．２０ｍｍの間隔を空けて配列されている。そして、画素生成部４ｄの曲率のある面側、及びその反対側から光を入射すると、光が出光面側に反射される。

画素生成部４ｄは、曲率のある側面側から光を入射した場合と、画素生成部４ｄの壁面側から光を入射した場合とで、反射面の違いにより異なる表示パターンを表示することができる。何れかの方向から光を入射するように入射のオン、オフを切替えてもよいし、両方向から光を入射して、合成した表示パターンを表示してもよい。

画素生成部４ｄについても、導光板４の左右の端部になるにつれて、画素生成部４ｄの光軸に対する傾斜角度を大きくしていく。これにより、導光板４の左右の端部から出射される出射光が中心線Ｍの方向に傾くようになるので、表示装置１の視野角を拡大することができる。

以上で説明したように、表示装置１では、導光板４の画素生成部４ａが有する反射面が、導光板４の領域Ｃ（中央）では入射面と平行に整列されている。また、領域Ｃの両脇に配置された領域Ｌと領域Ｒとでは、反射面での反射された光が導光板４の中心線Ｍの方向に出射されるように、入射面に対して傾斜して整列されている。これにより、視野角が広く、明瞭な表示が可能な表示装置とすることができる。

上記実施形態は、本発明の実施形態の一例であり、これ以外にも様々な変形例が考えられる。例えば、図１では、,文字「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」毎に領域Ｃ、領域Ｌ、領域Ｒを定めていたが、これに限られるものではない。１つの文字や画像の中で画素生成部の反射面の、入射面に対する傾斜が変化する態様であってもよい。

図６Ａ、図６Ｂに示した画素生成部４ｂ，４ｃは、その側面に曲率がない形状や、左右で斜辺の角度が異なる形状であってもよい。また、例えば、画素生成部４ｂを分割して、導光板４の左右の端部から光を入射したとき、異なる表示パターンが表示できるようにしてもよい。これにより、ホログラムのような立体的な画像を表示することもできる。

本実施形態の表示装置１は、例えば、遊技機製品に用いられる。具体的には、通常時には、導光板４が透明であるため遊技者はその存在に気付かないが、所定のタイミングで導光板４に光を入射して、演出を実行することができる。また、表示装置１は、広告や案内用の表示装置としても利用することができる。

１…表示装置、２…光源、３…集光レンズ、４…導光板、４ａ〜４ｄ…画素生成部。

Claims

入射した光が全反射を繰り返して内部を進む導光板と、該導光板の端面に設けられた複数の光源とからなり、
前記導光板に、前記光源から出射され入射した光を該導光板の出光面側に反射して、所定の表示パターンの各画素を生成する画素生成部が設けられた表示装置であって、
前記導光板には、少なくとも、前記光源の光が入射する入射面を２等分する中心線を含む第１領域と、該第１領域の両脇に配置された第２領域及び第３領域とがあり、
前記画素生成部の反射面は、
前記第１領域では、前記入射面と平行に整列され、
前記第２領域及び前記第３領域では、前記反射面での反射光が前記中心線の方向に出射されるように、前記入射面に対して傾斜して整列されていることを特徴とする表示装置。
請求項１に記載の表示装置において、
前記第２領域及び前記第３領域における前記反射面の前記入射面に対する傾斜角度は、５°〜３０°の範囲であることを特徴とする表示装置。
請求項１又は２に記載の表示装置において、
前記第２領域及び前記第３領域における前記反射面の前記入射面に対する傾斜角度は、前記中心線から離れるにつれて徐々に大きくなることを特徴とする表示装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載の表示装置において、
前記光源の光を集光する集光レンズを、前記入射面に設けていることを特徴とする表示装置。