JP4178840B2

JP4178840B2 - 面状発光光源、直下型バックライト、およびそれを用いた信号灯

Info

Publication number: JP4178840B2
Application number: JP2002167735A
Authority: JP
Inventors: 公司中野
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP2004014365A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶バックライト、パネルメーター、表示灯や面発光スイッチなどに用いられる面状発光光源に関し、特に少ない光源で複雑な発光面を均一に発光することが可能な面状発光光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、ＲＧＢ各色を発光可能な発光ダイオードや、白色を高輝度に発光可能な発光ダイオードが開発された結果、複数の発光ダイオードを配列して構成されるＬＥＤ表示灯が種々の分野にて利用されている。
【０００３】
例えば、図４に示すように、面状発光光源として、複数のＬＥＤ光源と該光源を導光する導光板とを用い、前記複数のＬＥＤ光源上に前記導光板を配置し、該導光板の一方の面から光を入射し、該光を拡散した後に前記一方の面と対向する他方の面より出射する面状拡散し上面から面状光源として発光する面状発光光源が考えられる。
【０００４】
一方近年、個々の発光ダイオードの高輝度化に伴い、ＬＥＤ表示器内の発光ダイオード配列数を減少させＬＥＤ表示器の低コスト化が図られている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記構成の面状発光光源を有する直下型面状発光光源にて発光ダイオードの配列数を減少すると、個々の発光ダイオードの発光がまばらなドットとして認識されるドット感が増し、表示品位を低下させるという問題が生じてしまい、さらなる改良が求められている。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、少ない光源数でも高輝度で且つ均一に発光することが可能な面状発光光源を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明の面状発光光源は、互いに対向する上面と下面とを有する導光板と、複数の光源と、を有し、前記導光板の下面側から入射された前記光源の光を上面側から出射する面状発光光源であって、前記導光板は、分離壁により光学的に分離された複数の入光部と、該入光部から入射された光を共有する拡散部を有し、前記複数の光源は、該光源を個々に収納することが可能な収納体により光学的に分離されており、前記収納体における各収納部の内壁面の延長上に、前記入光部の分離壁面が一平面をなすように配置されていることを特徴とする。
【０００８】
このように、光を導光する導光部材において、各光源に対して個々に入光部を設けると共に該入光部から入射された光を共有し拡散する拡散部を設けることにより、少ない光源数でも高輝度で且つ均一に発光することが可能な面状発光光源が得られる。
【０００９】
また、互いに対向する上面と下面とを有する導光板と、複数の光源と、を有し、前記導光板の下面側から入射された前記光源の光を上面側の発光面から出射する面状発光光源であって、前記導光板は、光学的に分離された複数の入光部と、該入光部から入射された光を共有する拡散部を有し、前記導光板の上面に対して略平行な光入光面を有するように、前記複数の入光部は導光板の下面を区分して設けられており、前記複数の入射部の光入光面は、前記複数の光源と個々に対向して配置され、該光源がＬＥＤチップを用いたＳＭＤ型発光ダイオード、又は、ＬＥＤチップを直接基板上にフィリップチップ実装させたものであることを特徴とする。
【００１０】
このように構成することにより、複雑な表示図形を均一に発光することが可能な面状発光光源が得られる。
【００１１】
また、入光部間は、分離壁を有することが好ましく、これにより各光源をそれぞれ対応する光入光領域へ効率よく導光することができ、より均一な発光面を得ることができる。
【００１２】
また、入光部は、２つの分離壁を有する溝により分離され、さらに入光部の前記光源と対向する面と側面とが鈍角を成していることが好ましく、これにより、前記入光部端面に照射された点光源を入光部領域にて効率よく面状光源化することができる。これにより、さらに均一性に優れた面状発光光源が得られる。
【００１３】
また、複数の光源は、該光源を個々に収納することが可能な収納体により光学的に分離され、前記収納体の各光源収納部は、発光観測面に対して２次元的に載置されていることを特徴とする。これにより、所望とする表示形状を有する導光板の形状に応じて、自由に光源を配置することができ、前記表示形状が複雑な場合でも隅部まで均一に発光することが可能な面状発光光源が得られる。
【００１４】
また、光源収納部の内壁と入光部の側面は、一平面を成していることが好ましい。つまり、光源収納部の内壁を上方へ延長先には、入光部の側面であり且つ分離壁である面が配置されている。このように光源収納部内での光反射角度と入光部内での光反射角度を略等しくすることにより、点光源を面光源とする効率をさらに高めることができる。
【００１５】
また、入光部は、光源と対向する面において光源側へ突出した凸部を有する場合、入射面から入射された点光源をさらに効率よく面状光源とすることができる。一方、前記導光板の入射面に、前記光源を収納することが可能な凹部を設けると、四方八方に発光する光源を利用した際において、光を有効に利用することができる。
【００１６】
また、前記拡散部の厚さ方向の長さは、前記入光部の厚さ方向の長さとほぼ等しい若しくは長いことが好ましく、これにより、各入光部にて面状とされた光を、拡散部にて良好に混合することができ、全面において均一に発光することが可能な面状発光光源が得られる。
【００１７】
また、本願発明の直下型バックライトは、複数の光源と、該光源と光学的に接続された導光板とを有する直下型バックライトであって、前記導光板は、複数の光源からの光をそれぞれ個別に導入する入光部と、導入された光を面状に拡散させる拡散部とを有することを特徴とする。
【００１８】
このように、光を導入する入光部と均一発光可能な拡散部とを機能分離させることによって、信号用の光源として用いた場合など太陽光などの外部からの入射時においても高輝度且つ均一発光可能な面状光源とさせることができる。
【００１９】
また、複数の光源と、該光源と光学的に接続された導光板とを有し、入射された光を直下方向に出射する面発光光源であって、前記導光板は、発光観測面と該発光観測面と対向する略平行な複数の面を有し、該複数の面は、前記発光観測面側から複数の光源と接続された面側に凸状形状とされていることを特徴とする。
【００２０】
このように、発光観測面に対応する光入光領域を複数に区分することにより、複雑な図形を均一且つ明確に表示することが可能となる。
【００２１】
また、前記複数の光源は、該光源を個々に収納することが可能な収納体により光学的に分離されていてもよい。前記収納体の各光源収納部を、発光観測面に対して２次元的に配列することにより、発光観測面にてより複雑な表示図形を均一に発光することが可能となる。
【００２２】
また、上方に拡散シートを設けてもよい。これにより、より均一に発光することが可能な直下型バックライト光源が得られる。
【００２３】
また、本願発明の信号灯は、複数の光源と、該光源と光学的に接続された導光板とを有する直下型バックライトが筐体内に配置された信号灯であって、前記導光板は、複数の光源からの光をそれぞれ個別に導入する入光部と、導入された光を面状に拡散させる拡散部とを有することを特徴とする。これにより、外部環境に影響を受けず均一に発光することが可能な信号灯が得られる。
【００２４】
また、複数の光源と、該光源と光学的に接続された導光板とを有する直下型バックライトが筐体内に配置された信号灯であって、前記導光板は、発光観測面と該発光観測面と対向する略平行な複数の面を有し、該複数の面は、前記発光観測面側から複数の光源と接続された面側に凸状形状とされることを特徴とする。
【００２５】
これにより、人型なども複雑な図形をも均一で且つ明確に表示することが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明者は、種々の実験の結果、複数個のＬＥＤ光源を利用し、光源から放射された光を導光板に導入して面状に発光させる面状発光光源において、光を導入する入光部と均一発光可能な拡散部とを機能分離させることにより、使用環境や、光源の使用数、光学特性に左右されず高輝度且つ均一な発光観測面を実現することができることを見出し、本発明を成すに至った。以下、図面を参照しながら本願発明に係る実施の形態について説明する。
【００２７】
＜実施形態１＞
図１は、本願発明の実施の形態に係る面状発光光源の模式的断面図である。配線基板６上に複数のＬＥＤ光源２が電気的に接続されている。これら複数のＬＥＤ光源を覆うように、上方に導光板１が載置されている。本願発明の導光板は、複数の光源からの光をそれぞれ個別に導入する入光部と、導入された光を面状に拡散させる拡散部とを有することを特徴とする。本実施の形態では、各入光部は、横断面が略Ｖ字となる溝により分離されている。以下、各構成部材について詳述する。
【００２８】
（光源２）
本実施の形態では、光源２としてＬＥＤ光源を使用している。該ＬＥＤ光源は、発光層が窒化物半導体からなる青色発光ＬＥＤチップを用いたＳＭＤ型発光ダイオードが好適に用いられるが、配線パターンが形成された基板上に複数のＬＥＤチップを半田等で直接フリップチップ実装させたものでもよい。また、光を有効利用するため、基板上に実装された複数のＬＥＤチップに共通の側壁を設けても良いし、ＬＥＤチップに対応した複数の貫通孔を有する基板に配置して側壁を設けることもできる。ここで窒化物半導体とは、ＩｎＡｌＧａＮやＩｎＧａＮ、各種不純物がドープされたＧａＮ等、種々の窒素含有化合物半導体を示唆し、好適にはIII−Ｖ族窒化物半導体が挙げられる。
【００２９】
前記ＳＭＤ型発光ダイオードは、以下に示すものを一例として挙げられる。凹部を有し該凹部底面から一対のリード電極の先端部表面が露出されるようにインサート成形されてなるパッケージを用い、前記凹部底面にＬＥＤチップを電気的に接続した後、前記凹部内に光学的機能を有する透光性部材が設けられている。また、前記一対のリード電極のアウターリード部は、配線基板表面と接続可能となるよう、Ｊ字型もしくはガルウィング型に加工されている。
【００３０】
光源として発光ダイオードを用いる場合は、１箇所の光源部に対応するものとして、必ずしも１つのＬＥＤチップを用いるものではなく、互いに異なる波長の光を発光することが可能な複数個のＬＥＤチップ（例えば、赤色発光ＬＥＤチップと青緑色発光ＬＥＤチップ）や、同系色を発光することが可能な複数個のＬＥＤチップ（例えば、２個以上の青緑色ＬＥＤチップ）を載置することも可能である。前者の場合、１箇所の光源部において点灯させるＬＥＤチップを種々選択することにより、１つの面状発光光源において種々の発光色を表示することができる。
【００３１】
（配線基板３）
このようなＳＭＤ型発光ダイオードを、基板上に外部電極が配線されてなる配線基板３上に所定間隔を設けて配列し電気的導通を取る。配線基板の基板部材は、熱伝導性に優れていることが好ましく、アルミベース基板、セラミクスベース基板等を用いることができる。また、熱伝導性の悪い、ガラスエポキシ基板や紙フェノール基板上を用いる場合は、サーマルパッド、サーマルビア等の放熱対策を施すと好ましい。また、発光ダイオードと配線基板は、半田等の導電性部材にて導通を取ることができる。放熱性を考慮すると、銀ペーストを用いることが好ましい。
【００３２】
（導光板１）
本願発明の導光板１は、複数の光源からの光をそれぞれ個別に導入する入光部１ａと、導入された光を面状に拡散させる拡散部１ｂとを有する。このように、入射光を平行方向に導光し出射する面状光源において、光を導入する入光部と均一発光可能な拡散部とを機能分離させることによって、信号用の光源として用いた場合太陽光などの外部からの入射時においても高輝度且つ均一発光可能な面状光源とさせることができる。
【００３３】
（入光部１ａ）
入光部は、光学的に区分されていればよい。区分方法は特に限定されず、平板にスリットや溝部を設けたり、予め所望の形状を有する金型を利用し射出成形にて得ることもできる。
【００３４】
窒化物半導体からなるＬＥＤチップは、端面方向への発光強度が強い傾向にあり、このようなＬＥＤチップを利用したＬＥＤ光源の出射面は、ＬＥＤチップの発光強度むらが反映され、不均一な発光となる傾向にある。本願発明は、導光板に一光源に対応して一入光部を設けられているため、入光部領域にて各ＬＥＤ光源の色むらを改善することができる。このように改善された光源を拡散部にて共有し拡散することにより、ＬＥＤ光源の色むらに起因する発光観測面のむらを改善することができる。
【００３５】
（拡散部１ｂ）
本願発明において、拡散部の膜厚は、入光部の膜厚とほぼ等しいもしくは入光部の膜厚より厚い方が好ましい。これにより、入光部から導光される光を良好に拡散することができる。拡散部に導光される各光は、入光部により指向性が備えられる。つまり、発光の端部は発光の中央部と比較して暗部となる。本願発明において拡散部は、これら隣り合う光源の暗部の箇所を共有拡散し、それぞれの中央部と同等の輝度とすることができる。これにより、一面において輝度が均等な面状光源を実現することができる。
【００３６】
また、窒化物半導体からなるＬＥＤチップは、製造上各ＬＥＤチップ間に波長のバラツキが生じる傾向にある。このような波長のバラツキは、外来光等の他の光が緩衝すると人の目に強度に観測されやすい。しかしながら本願発明は、隣り合う光源の暗部箇所を共有拡散することにより、各波長を良好に混合することができ、信号用の光源として用いた場合太陽光などの外部からの入射時においても高輝度且つ均一発光可能な面状光源とさせることができる。
【００３７】
導光板の材料は、光透過性、成形性に優れていることが好ましく、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非結晶性ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂等の有機部材や、ガラス等の無機部材を用いることができる。また、導光板の表面は、透過率・全反射光率を向上させるため、面精度Ｒａ２５μｍ（ＪＩＳ規格参照）以下が望ましい。
【００３８】
このような導光板を、各ＬＥＤ光源と各入光部とが対向するように装着する。導光板の装着方法は、ねじ止め、接着、溶着等、位置決めが容易で接合強度が確実に得られる方法を用いることができ、仕様や要求に応じて選定することができる。本実施例の形態では、導光板の端部に爪部（勘合部）を設け、配線基板の対応する箇所に貫通孔を設け、前記爪部と前蛍光物質配線基板の底面とをかみ合わせ、これらを固定している。
【００３９】
（拡散シート４）
本願発明の面状発光光源は、上方に拡散シート４を設けることができる。このように本願発明の面状発光光源は、上方に配置された拡散シート等の他の部材を照射する直下型バックライト光源として利用することもできる。拡散シートの選定は、導光板の膜厚、性能を左右する。そのため、仕様・要求に応じてその都度、検証を行い選定することが好ましい。本実施例では、耐熱性に優れたポリカーボネート製で膜厚が２０ｍｍの導光板に対し、ヘーズ値８８％〜９０％（ＪＩＳ規格参照）で膜厚１００μｍ程度の拡散シートを使用する。これにより、各光源のドット間がより緩和され、均一にな発光が得られる。このような拡散シートは、導光板に直接接着または溶着等により装着することが可能である。また上方にカバーレンズを設ける場合、該カバーレンズと導光板の間に挟み込むことにより固定することもできる。拡散シートと導光板との距離は、０ｍｍ〜１０ｍｍが好ましく、これらの界面は密着していることが最も好ましい。拡散シートの材質は、主にPETが用いられるが、発光ダイオードの発熱に対して変形や変質しない材料であれば特に限定されない。
【００４０】
このようにして得られらた面状発光光源は、発光面一面において均一性で且つ高輝度な発光が得ることができる。
【００４１】
一方、図４の如く、上面および下面がフラットな導光板を用いると、各発光ダイオードの光源がまばらに観測され、発光面に明部および暗部が観測されてしまう。
【００４２】
＜実施の形態２＞
図２は、本願発明の実施の形態２に係る面状発光光源の模式的断面図である。本実施形態における導光板は、複数の光源からの光をそれぞれ個別に導入する入光部先端に、光源を収納することが可能な凹部を有することを特徴とする。また、本実施の形態に用いられるＬＥＤ光源は、実施の形態と同様のＬＥＤチップを用いたレンズ付きＳＭＤ型発光ダイオードである。レンズ付きＳＭＤ型発光ダイオードは、一対のリード電極を透明部材にてトランスファーモールドすることにより得られる。このようなレンズ付きＳＭＤ発光ダイオードは、全体が透明部材にて構成されているため、上面のみならず四方方向に光を放射する。そこで本実施の形態では、レンズ付きＳＭＤ発光ダイオードを各凹部内に収納して対向配置することにより、光の利用効率を高めている。また、ＬＥＤ光源の外壁と凹部内壁とのそれぞれ対向する面は、略平行であることが好ましく、これにより凹部内壁に均等に光を照射することができる。
【００４３】
＜実施の形態３＞
図３は、本願発明の実施の形態３に係る面状発光光源の模式的断面図である。本実施の形態の面状発光光源は、前記配線基板上に各光源を個々に収納することが可能な収納体５を有することを特徴とする。これにより、入光部の厚膜を薄くすることが可能となる。これにより、信頼性高く所望とする形状の導光板を形成することができる。
【００４４】
（収納体５）
収納体５は、Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕ，およびＦｅ等の金属やＰＰ，ＰＣ，およびＡＢＳ等の樹脂など、各光源を光学的に分離することが可能な種々の材料にて構成することができる。収納体の表面、特に曲率を持つ各収納部の内壁は、反射効率を向上させるため、面精度Ｒａ２５μｍ（ＪＩＳ規格参照）以下が望ましい。また、樹脂成形された収納体において、収納部の内壁に、Ａｇ，Ｎｉ，およびＡｌ等の金属コートを施すことも可能である。
【００４５】
収納体は、前記配線基板とねじ止め・接着・溶着等、仕様・要求に応じて種々の方法にて固定することができる。本実施例では、基体側に爪部（勘合部）を設け、配線基板側に前記爪部をかみ合わせることが可能な貫通孔を設けることにより装着している。これにより、製造工程が簡略化され、優れた量産性を有する面状発光光源が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したごとく、本発明の面状発光光源、直下型バックライト、および信号灯は、複数の光源からの光をそれぞれ個別に導入する入光部と、導入された光を面状に拡散させる拡散部とを有する導光板を用い、光を導入する入光部と均一発光可能な拡散部とを機能分離させることによって、少ない光源数でも各光源の光を最大限に有効利用すると共にこれらの混合性を高め、高輝度で且つ均一は発光観測面を得ることができる。また、光源の特殊な光学特性や信号用の光源として用いた場合などの太陽光の影響などに左右されることなく、高輝度且つ均一な発光が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態を示す面状発光光源の模式的断面図である。
【図２】図２は、他の実施形態を示す面状発光光源の模式的断面図である。
【図３】図３は、他の実施形態を示す面状発光光源の模式的断面図である。
【図４】図４は、比較例として用いられた面状発光光源の模式的断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施例を示す面状発光光源の分解図である。
【図６】図６（ａ）は、図５に示す収納体に光源が載置された状態の模式的立面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ´線における模式的断面図である。
【符号の説明】
１…導光板
１ａ…入光部
１ｂ…拡散部
２…光源
３…配線基板
４…拡散シート
５…収納体

Claims

互いに対向する上面と下面とを有する導光板と、複数の光源と、を有し、前記導光板の下面側から入射された前記光源の光を上面側から出射する面状発光光源であって、
前記導光板は、分離壁により光学的に分離された複数の入光部と、該入光部から入射された光を共有する拡散部を有し、
前記複数の光源は、該光源を個々に収納することが可能な収納体により光学的に分離されており、
前記収納体における各収納部の内壁面の延長上に、前記入光部の分離壁面が一平面をなすように配置されていることを特徴とする面状発光光源。
互いに対向する上面と下面とを有する導光板と、複数の光源と、を有し、前記導光板の下面側から入射された前記光源の光を上面側から出射する面状発光光源であって、
前記導光板は、光学的に分離された複数の入光部と、該入光部から入射された光を共有する拡散部を有し、
前記導光板の上面に対して略平行な光入光面を有するように、前記複数の入光部は導光板の下面を区分して設けられており、
前記複数の入射部の光入光面は、前記複数の光源と個々に対向して配置され、該光源がＬＥＤチップを用いたＳＭＤ型発光ダイオード、又は、ＬＥＤチップを直接基板上にフィリップチップ実装させたものであることを特徴とする面状発光光源。
前記拡散部の厚さ方向の長さは、前記入光部の厚さ方向の長さとほぼ等しい若しくは長いことを特徴とする請求項１又は２のいずれか一つに記載の面状発光光源。
前記導光板の上面には、拡散シートを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の面状発光光源。
前記導光板は、射出成形により成形されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の面状発光光源。
前記分離壁は、スリット又は溝部により設けられていることを特徴とする請求項１に記載の面状発光光源。
前記請求項１乃至６のいずれか一つに記載の面状発光光源を有することを特徴とする直下型バックライト。
前記請求項７に記載の直下型バックライトを有することを特徴とする信号灯。