JP3835585B2

JP3835585B2 - 面光源装置

Info

Publication number: JP3835585B2
Application number: JP03079898A
Authority: JP
Inventors: 圭史諫本; 正幸篠原; 茂青山
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2018-02-13
Also published as: JPH11232921A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点又は線状光源からの光を面状に拡げて出射させる面光源装置に係り、特に、屋内等の照明に適用可能な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の面光源装置の光源として、半導体を用いた固体発光素子であるＬＥＤが広く用いられており、ＬＥＤは小型、高輝度で、電気−光変換効率が高く長寿命であるといった特長を有し、電光掲示板や各種機器の液晶（ＬＣＤ）のバックライト等に用いられている。もともと点光源であるＬＥＤを光源とする面光源装置は、導光板を用いることにより面光源に変換している。
【０００３】
従来の、ＬＣＤのバックライト等に用いられる面光源装置を図１３の斜視図及び図１４の断面図により示す。面光源装置１００は、光を閉じ込めるための導光板２と、発光部３と、反射板４とから構成されている。導光板２は、ポリカーボネイト樹脂やメタクリル樹脂等の透明で屈折率の大きな樹脂により成形されており、導光板２の下面には凹凸加工や拡散反射インクのドット印刷等によって拡散パターンＰが形成されている。発光部３は、回路基板３ａ上に複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）等のいわゆる点光源３ｂを実装したものであって、導光板２の側面（光入射面７）に対向している。反射板４は、反射率の高い、例えば白色樹脂シートによって形成されており、両面テープ１２によって両側部を導光板２の下面に貼り付けられている。
【０００４】
しかして、図１４に示すように、発光部３から出射されて光入射面７から導光板２の内部に導かれた光ｆは、導光板２内部で全反射することによって導光板２内部に閉じ込められる。導光板２内部の光ｆは、拡散パターンＰに入射すると、拡散反射され、光出射面６へ向けて全反射の臨界角よりも小さな角度で反射された光ｆが、光出射面６から外部へ取り出される。また、導光板２下面の拡散パターンＰの存在しない箇所を透過した光ｆは、反射板４によって反射されて、再び導光板２内部へ戻るので、導光板２下面からの光量損失を防止される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現在、省エネルギー効率が高い上に、丈夫で長持ちする新しいタイプの室内照明装置（将来のあかり）の開発が望まれており、そのために、ＬＥＤを室内照明器具として活用することで、消費電力を白熱灯のほぼ１／８、蛍光灯のほぼ１／２に抑えると共に、耐用年数も高めるとの構想がある。
【０００６】
そこで、このような構想を実現するために、上述したようなＬＥＤを用いた面光源装置を、室内等の照明分野で利用することを検討した。しかしながら、ＬＣＤのバックライト等に用いられる面光源装置は、そのサイズが高々６インチ（１５．２ｃｍ）程度のものである。それに比べて、一般の室内照明器具では、広範囲を均一に照明できる面光源である必要があり、数メートル（ｍ）サイズの大きさが要求される。すなわち、室内照明の場合には、導光板のサイズが、従来のバックライトの場合に比べて１０倍以上の大きさとなる。
【０００７】
上述した従来の拡散パターン付き導光板は、エッチング等によってパターンを作製した原盤をもとに、金型を起こし、射出成型によって作製するか、導光板に拡散反射インクドットをプリントすることによって作製されており、金型による作製が可能であるため、出射パターンは導光板と一体になっている。それに対して、数ｍサイズの大きな面積を有する導光板となると、大きい金型が必要となり、そのような金型を作製することや、大きい導光板自体に精度良くパターンをプリントすることは困難となる。
【０００８】
さらにまた、装置の取り扱い易さの点から考えると、導光板の厚みは薄い方が望ましい。しかしながら、従来の導光板端面から光を取り込む方式では、導光板の厚みを薄くすると、光源の高さも小さくする必要がある。照明装置として必要な光量は、照射エリアの広さに依存するため、導光板が薄くなっても、必要な光量自体は変化しない。そのため、導光板を薄くする場合、光源は必要な光量を確保するために導光板端面に沿った横に長い形態にせざるを得ない。ところが、この方式は、照射面積が小さい場合は有効であるが、照射面積が増加したとき、光源の幅も大きくなり、取り扱いが面倒となる。例えば、１ｍ四方のエリアを１０ｃｍ幅の光源でカバーできたと仮定すると、３ｍ四方のエリアをカバーするためには、当然その９倍の９０ｃｍ幅の大型の光源が必要になってくる。
【０００９】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、一旦、厚めの導光板端面に光を入射させ、その導光板内を導波する光をより薄い導光板へ伝播させる方式とすることで、大きい照射エリアに対して薄い導光板でよく、かつ、大型の光源を用いることなく必要な光量を確保することができ、取り扱い・製作が容易で、室内用ＬＥＤ照明装置に好適な面光源装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、点又は線状光源からの光を面状に拡げて出射させる面光源装置において、棒状の導光板と、前記導光板よりも厚みの薄い面状の導光板と、前記棒状の導光板の狭い方の端面から光が入射するように配置された光源とを備え、前記棒状の導光板の一側面と前記面状の導光板の面とを、透明な樹脂で接着したものである。
この構成においては、棒状の導光板の狭い方の端面から光源の光が入射され、この棒状の導光板内に導入された光は、その一側面からより薄い面状の導光板に透明な樹脂の接着面より伝播され、薄い面状の導光板から光が取り出される。このように、光源からの光は一旦棒状の導光板に導入されるので、薄い面状の導光板が大きいサイズになっても、必要な光量を確保するために光源そのものが大きくなることはない。
【００１１】
また、本発明は点又は線状光源からの光を面状に拡げて出射させる面光源装置において、棒状部と、この棒状部の一側面と一体に成形され、該棒状部よりも厚みの薄い面状部とからなる導光板と、前記棒状部の端面から光が入射するように配置された光源とを備えたものである。
この構成においては、棒状部の導光板と面状部の導光板とが一体に成形されており、上記と同様な作用が得られる。
【００１２】
また、前記面状の導光板が矩形であり、前記棒状の導光板を前記面状の導光板に対してその対角方向に配置したものとすることができる。光源から棒状の導光板の狭い方の端面に入射され、さらに、この棒状の導光板から面状の導光板へ伝播される光は、光の進行方向に対して、所定の角度を持つものが多いことから、上記の構成により、面状の導光板全体に光が届くようにすることができ、特に、大きいサイズの導光板に対して有効となる。
【００１３】
また、前記面状の導光板が矩形であり、その四つのコーナ部に前記光源が位置し、かつ、前記棒状の導光板が前記面状の導光板に対しその対角線上で中心に向かうように配置されたものとすることができる。この構成により、上記と同等の作用が得られる。
【００１４】
また、前記面状の導光板が矩形であり、その一つのコーナ部に前記光源が位置し、かつ、前記棒状の導光板が前記面状の導光板に対し前記一つのコーナ部を挟む両側辺に沿うように配置されたものとすることができる。この構成により、上記と同等の作用が得られる。
【００１５】
また、前記面状の導光板が矩形であり、その一対の対角位置にあるコーナ部に前記光源が位置し、かつ、前記棒状の導光板が前記面状の導光板に対しもう一つの対角位置のコーナ部にそれぞれ向かうように配置されたものとすることができる。この構成により、上記と同等の作用が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の面光源装置の一実施形態による導光型照明装置の概略外観図、図２（ａ）（ｂ）は図１のＡ部，Ｂ部の拡大図である。導光型照明装置１は、棒状の導光板２と、この棒状の導光板２に対して光が入射されるように配置された点又は線状の光源モジュール３と、棒状の導光板２より光が導入され、それよりも厚みの薄い矩形で面状の透明樹脂シート８と、この透明樹脂シート８の一面に設けられた拡散反射板９とから構成される。透明樹脂シート８は拡散反射板９とともに面状の導光板１０を成す。光源モジュール３は、棒状の導光板２の長さ方向の一端面（狭い方の端面）から光が入射されるように配置される。また、棒状の導光板２の一側面と透明樹脂シート８の面とは、透明な樹脂（図３の樹脂１４）で接着されることで、光学的及び物理的に結合される。
【００１７】
棒状の導光板２は、透明アクリル樹脂やガラス等で成り、サイズは例えば１２．５×１２．５×１０００ｍｍのものが複数個連接され、光の指向性から、矩形の導光板１０に対して対角線上に配置される。導光板２の連接位置には、透過型拡散板１１を介在させ、その周囲には光の漏洩防止のため全反射シール１３が貼られる。透過型拡散板１１のサイズは棒状の導光板２の断面積よりも小さい。光源モジュール３には、白色又はＲ，Ｇ，Ｂの３色を混合するＬＥＤから成るＬＥＤモジュール（例えば３６×３６個）を用いればよい。そのサイズは１７．７×１７．７ｍｍ程度とする。さらに、紫外線を出すＬＥＤを蛍光管に封入して白色光を発光するものを用いてもよい。
【００１８】
透明樹脂シート８は、アクリル樹脂等で成り、拡散反射板９を含めた面状の導光板１０の厚さは３ｍｍ程度、大きさは例えば室内照明用として、２ｍ×２ｍの大型のサイズを持つ。そして、この導光型照明装置１は、室内の天井に設置して室内照明に用いられ、また、看板としても使用可能である。室内照明用に室内の天井に設置する場合、拡散反射板９の上面を天井面に固定すればよく、望ましくは設置する天井面に棒状の導光板２が嵌まり込む溝を用意しておく。
【００１９】
図３は面状の導光板１０の断面図である。棒状の導光板２は、その一側面が面状の導光板１０の透明樹脂シート８の面に透明な樹脂１４で接着される。透明樹脂シート８には、光拡散作用を持つパターンに形成された粘着剤１５が設けられ、透明樹脂シート８の全面から可能な限り均一に光が出射されるようにしている。粘着剤１５に代えて、光透過性の両面接着テープを用いてもよい。図４（ａ）（ｂ）は光線の出射を模式的に示した側面図及び下面図である。ここでは、棒状の導光板２を１つのみ示している。この導光板２の最外端部には、拡散反射板１６が配置される。粘着剤１５の光拡散性は、透明粘着剤（樹脂）へ拡散塗料を混合すること、粘着剤自体に拡散性のある材料を用いること、粘着剤の端面での出射を利用するもの等により得られる。
【００２０】
棒状の導光板２内に導入された光は導光板２内を全反射しつつ導波され、薄い面状の導光板１０と接着された部分から少しずつ漏れることで、この導光板１０に拡がっていく。具体的には、導光板２の側面の垂線部分で透明樹脂シート８との接着部（樹脂１４）を通る光ｆが、面状の導光板１０に入射される（詳細は後述）。棒状の導光板２から薄い面状の導光板１０への入射の確率は余り高くないが、棒状の導光板２を伝わる光は、全反射で導波されるので、十分に長い距離を取るか、指向性を途中で変える方法を取れば、効率を上げることも可能となる。これを図５を参照して説明する。
【００２１】
図５は棒状の導光板２中の光線の伝播状況を示す（光源が中心にあると仮定した場合）。同図において、▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼のように、同じ場所を何度も反射する光は、面状の導光板１０へは入射しない。そこで、本実施形態では、連接される導光板２の間に透過型拡散板１１を設けることで、出残った光の指向性を変え、もって、光が導光板１０へ入射し易いものとしている。
【００２２】
面状の導光板１０に入射された後の導光型照明装置１の光出射面から光を取り出す機構は、基本的には上述の従来技術で説明したのと同等であり、導光板１０内に導入された光は導光板１０内で全反射し、粘着剤１５でなる拡散用パターンに入射すると、拡散反射され、光出射面に向けて全反射の臨界角よりも小さな角度で反射された光が外部へ出射される。なお、棒状の導光板２の屈折率ｎ１と、接着する樹脂１４の屈折率ｎ２と、面状の導光板１０の屈折率ｎ３との関係は、ｎ１≦ｎ２≦ｎ３であることが出射効率の向上には望ましい。
【００２３】
図６は、棒状の導光板２から面状の導光板１０へ入射する光の様子を示す。導光板２の屈折率が√２程度とすると、棒状の導光板２から面状の導光板１０へ伝わる光は、進行方向に対して、略４５°の傾きを持ったものしか存在しない。また、光源と逆の端面側で光を反射させるようにしても、最初のうちに出る光の方が強いため、指向性は偏ってしまう。
【００２４】
矩形で面状の導光板１０全体に光が届くようにするには、この特性を考慮して、棒状の導光板２を配置する必要が、特に、大きいサイズの導光板１０に対して必要となる。そうした各種実施形態を図７（ａ）〜（ｄ）に示す。（ａ）は上記の実施形態のものと同じタイプであり、棒状の導光板２を面状の導光板１０に対してその対角方向に配置したものである。（ｂ）は面状の導光板１０の四つのコーナ部に光源モジュール３が位置し、かつ、棒状の導光板２を面状の導光板１０に対しその対角線上で中心に向かうように配置したものである。（ｃ）は面状の導光板１０の一つのコーナ部に光源モジュール３が位置し、かつ、棒状の導光板２を面状の導光板１０に対し一つのコーナ部を挟む両側辺に沿うように配置したものである。（ｄ）は面状の導光板１０の一対の対角位置にあるコーナ部に光源モジュール３が位置し、かつ、棒状の導光板２を面状の導光板１０に対しもう一つの対角位置のコーナ部にそれぞれ向かうように配置したものである。
【００２５】
図８は、上述したような光の指向性に偏りが出ることに対する改善策を施した実施形態を示す。この例では、棒状の導光板２の直ぐ近くで面状の導光板１０に複数の微少な切れ込み１７を入れ、この切れ込み１７の上面を覆うように反射シート１８を貼り付けている。この構成により、切れ込み１７部分で反射が生じて、面状の導光板１０に入った光の指向性を変えることができる。切れ込み１７からの光の漏洩は、反射シート１８により防止される。
【００２６】
図９は、導光板１０に形成されている拡散パターンの実施形態による模式図である。拡散パターンは、出射光の均一性を向上するために、棒状の導光板２に近い程、粗であり、遠い程、密とされている。最小パターンサイズ、及び最小パターン間距離は、いずれもパターンＰのスタンプ（印刷）精度が出せる程度の大きさであり、例えば、３００μｍ程度（２００〜５００μｍの範囲やそれ以上又はそれ以下であっても構わない）とする。
【００２７】
次に、棒状の導光板２（Ａ：導光棒ともいう）から薄い面状の導光板１０（Ｂ）へ光を入射させる場合の効率をシミュレーションした例を、図１０乃至図１２を参照して説明する。図１０はそのためのモデル構成図であり、導光板２の長さをＷ、光を入射させる狭い方の端面の高さ（導光棒厚）をａ、導光板１０の厚み（導光板厚）をｂとする。なお、同図では、導光板２の側面が導光板１０の端面に接合したような形となっているが、図１や図３に示したような、導光板２が導光板１０の上に接合されたような形態であっても同等である。図１１は主として棒状の導光板２内での光の進行方向を示す図で、Ａは導光板２から導光板１０へ入射できなかった光、Ｂは導光板２から導光板１０へ入射できた光を示す。導光板２の側面に当たった光のうち、それが導光板１０との接合部分（図のＳ）であれば、光は導光板１０へ入射する（Ｂ）。導光板１０との接合部分でなければ
（図のＳ´）、光は導光板１０へ入射しない（Ａ）。
【００２８】
図１２は入射効率を示す特性図である。横軸は導光棒厚ａに対する導光板厚ｂの比、縦軸は導光板への入射効率である。導光棒厚ａに対する導光板厚ｂの比が１に近い程、効率は高くなるが、取り扱い易さの上では薄い導光板厚ｂが望まれ、比が０．１程度であっても、実用可能と考えられる。また、一定の導光棒厚ａに対しては導光棒長さが長い方が効率が良いことが分かる。
【００２９】
このように本実施形態によれば、厚めの導光板２の端面に一旦光を入射させた後、薄い導光板へ伝播させるようにしたので、大きい照射エリアに対して薄い導光板でよくなり、しかも、光源が大型になることなく必要な光量を確保することができ、取り扱い、製作が容易となり、特に、将来のＬＥＤ室内照明装置として有効であり、光源としてＬＥＤを用いることで、省エネルギー、耐用年数が長い、小型、軽量である、点灯や消灯の速度が早い等の利点も合わせ持つ。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限られず種々の変形が可能である。例えば、図１や図３では、導光板２が導光板１０の上に接合されたような形態を示しているのに対して、図１１では導光板２の側面に導光板１０の端面を接合したような形態を示しているが、機能的には同等であり、さらに、両者が一体になったような形態であってもよい。すなわち、上記の棒状の導光板２と面状の導光板１０とが一体成形され、棒状部と面状部とからなる一体の導光板であってもよい。この棒状部は、面状部に対して、側縁に沿ってあっても対角上にあってもよい。また、この面光源装置を用いて、光取り出しのため拡散性を持たせた粘着剤１５が成すパターンに工夫を施すことで、静的な画像を表示する表示板（看板）を構成することも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、棒状の導光板の狭い方の端面から光源の光を一旦入射させ、さらに棒状の導光板の一側面から薄い面状の導光板に透明な樹脂の接着面を介して伝播させるようにしたので、薄い面状の導光板が大きいサイズになっても、必要な光量を確保するために光源そのものが大型になることはなく、また、大きい照射エリアに対して薄い導光板でよく、取り扱い・製作が容易となり、室内用ＬＥＤ照明装置に好適な面光源装置を提供できる。
また、棒状部の導光板と面状部の導光板とが一体成形されたものにあっても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の面光源装置の一実施形態による導光型照明装置の概略外観図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は図１のＡ部，Ｂ部の拡大図である。
【図３】面状の導光板の断面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は光線の出射を模式的に示した側面図及び下面図である。
【図５】棒状の導光板中の光線の伝播状況を示す図である。
【図６】棒状の導光板から面状の導光板へ入射する光の様子を示す平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、導光型照明装置の各種実施形態を示す平面図である。
【図８】光の指向性に偏りが出ることに対する改善策を施した実施形態の平面図である。
【図９】面状の導光板に形成されている拡散パターンの実施形態による模式図である。
【図１０】光の入射効率をシミュレーションするためのモデル構成図である。
【図１１】主として棒状の導光板内での光の進行方向を示す図である。
【図１２】入射効率を示す特性図である。
【図１３】従来の面光源装置の斜視図である。
【図１４】従来の面光源装置の断面図である。
【符号の説明】
１導光型照明装置
２棒状の導光板
３光源モジュール（光源）
８透明樹脂シート
９拡散反射板
１０面状の導光板
１４透明な樹脂

Claims

点又は線状光源からの光を面状に拡げて出射させる面光源装置において、
棒状の導光板と、
前記導光板よりも厚みの薄い面状の導光板と、
前記棒状の導光板の狭い方の端面から光が入射するように配置された光源とを備え、
前記棒状の導光板の一側面と前記面状の導光板の面とを、透明な樹脂で接着したことを特徴とする面光源装置。
点又は線状光源からの光を面状に拡げて出射させる面光源装置において、
棒状部と、この棒状部の一側面と一体に成形され、該棒状部よりも厚みの薄い面状部とからなる導光板と、
前記棒状部の端面から光が入射するように配置された光源とを備えたことを特徴とする面光源装置。
前記面状の導光板が矩形であり、前記棒状の導光板を前記面状の導光板に対してその対角方向に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の面光源装置。
前記面状の導光板が矩形であり、その四つのコーナ部に前記光源が位置し、かつ、前記棒状の導光板が前記面状の導光板に対しその対角線上で中心に向かうように配置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の面光源装置。
前記面状の導光板が矩形であり、その一つのコーナ部に前記光源が位置し、かつ、前記棒状の導光板が前記面状の導光板に対し前記一つのコーナ部を挟む両側辺に沿うように配置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の面光源装置。
前記面状の導光板が矩形であり、その一対の対角位置にあるコーナ部に前記光源が位置し、かつ、前記棒状の導光板が前記面状の導光板に対しもう一つの対角位置のコーナ部にそれぞれ向かうように配置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の面光源装置。