JP4534897B2 - 照明光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、パーソナルコンピュータ等の情報表示に用いられる液晶ディスプレイの、バックライト構造に関するものであり、バックライト光源の発生する熱を効率的に拡散放熱することを目的にしたものである。

近年、携帯型パーソナルコンピュータ(以下携帯型パソコンと表記)は、携行性を良くするために軽量化が成されている。したがってそれに用いられる液晶ディスプレイも大幅な軽量・小形・薄型化が図られている。薄型軽量化を進展させても、屋外での使用を考慮しディスプレイの視認性を確保するためにも、ディスプレイの明るさを低下させることは出来ない。むしろ明るさを向上させなければならない。

発光源からの光を有効に活用するため、導光板、反射フィルム、拡散フィルムには数々の工夫工作がなされている。

携帯型パソコンの携行使用においては電池駆動が前提となるので、より長時間駆動を実現するためには、消費電力を抑えることが何よりも重要である。しかしディスプレイを明るくするには光出力を上げる必要があり、消費電力を抑えることとは相反する条件となる。

また、近年発光ダイオード(以下ＬＥＤと表記)の輝度向上と省電力化は目覚しく進歩し現在も発展途上にある。また光の三原色である赤、緑、青のＬＥＤも出揃い演色性も向上し、カラーディスプレイの照明光源として充分実用域に達した。

従来より、携帯型パソコンのディスプレイ照明光源として、冷陰極線管が常用されている。しかし冷陰極線管は最近長寿命化が成されているとはいえ、一万時間以上駆動すると急激に輝度が低下してくる。また細く長いガラス管で造られているため、携行中の衝撃によって壊れやすいという課題を抱えている。

昨今、上記したようにＬＥＤの輝度向上、演色性の向上、低コスト化が進展したので、ＬＥＤが液晶ディスプレイ等の照明光源として用いられるようになって来た。携帯電話では既にＬＥＤによる照明が一般的となっている。

ＬＥＤは点光源であり、微小な空間から高密度な光が放射される。このため光源の温度は極めて高温となる。ＬＥＤは温度が上昇すると光出力が低下するという特性を持っている。したがって効率のいい発光を持続するためには、ＬＥＤの発する熱を速やかに拡散させ放熱する必要がある。

特にＬＥＤを線状配置，角状配置，円状配置など様々なパターンで配置して、多数個駆動する場合は熱が籠らないよう放熱に工夫する必要がある。

携帯型パソコンの液晶ディスプレイのバックライト光源として、ＬＥＤを多数個直線状に配列して、冷陰極線管の如く線状光源化し、バックライト光源として冷陰極線管の替わりに用いることが可能である。

冷陰極線管は管体自体の温度が上昇しても発光効率は落ちることがなく管体はガラスで造られているので、別段放熱に配慮する必要はない。

しかしＬＥＤは、ＬＥＤチップの温度が上昇すると発光効率が低下するので温度上昇を極力抑える必要がある。８０℃を超えると発光効率の低下が顕著になるので、温度上昇はそれ以下に抑えることが必須である。

そこでＬＥＤチップの発する熱を、アルミニウムやマグネシウム等の金属で出来た（携帯型パソコンの）筺体に伝熱し放熱することが考えられる。その一例が特許文献１に開示されている。

上記従来例では、実装基板に搭載された発光体が発する熱を、金属フィルム（あるいは箔）を用いて、前記実装基板の発光体が搭載された面とは反対面に、上記金属フィルムを接触させると共に他の部分を筺体に接触させ、上記金属フィルムを介して発光体から筺体に伝熱し放熱を行うというものである。
特開２００３−３６７１７号公報

上述の従来例では、伝熱体として金属フィルムを用いており伝熱路として不十分である。また実装基板及び筺体に金属フィルムを接触させている状態では接触面での伝熱抵抗が大きく、効率的な熱伝送および放熱が行われるとはいえない。

さらに金属フィルムという少しの力で変形し、且つ形状の定まらない部材で構成しているため、筺体への組み込みに難作業が伴うと考えられる。

本発明は上記したような問題点を解消するためのものであり、伝熱効率が高くかつ組み立ての容易な照明光源装置を提供するものである。

本発明に係る照明光源装置は、複数の発光体が搭載された配線基板と、前記発光体からの光を入射面である端面から入射し、出射面である主面から出射する導光板と、前記導光板からみて前記出射面とは反対側に位置する底面と、前記底面の端部から前記導光板側に延びた側面と、を有する金属筐体と、を備え、前記配線基板の端辺は前記金属筐体の前記底面に当接するように位置し、前記底面、前記側面および前記配線基板によって形成される空間に、金属微片あるいは金属微粒が混練された高分子エラストマが充填されている、照明光源装置である。
また、本発明に係る別の照明光源装置は、複数の発光体が搭載された配線基板と、前記発光体からの光を入射面である端面から入射し、出射面である主面から出射する導光板と、前記導光板からみて前記出射面とは反対側に位置する底面と、前記底面の端部から前記導光板側に延びた側面と、を有する金属筐体と、を備え、前記配線基板の端辺は前記金属筐体の前記底面に当接するように位置し、前記底面、前記側面および前記配線基板によって形成される空間に、金属微片あるいは金属微粒が混練されたゴム状のシリコーン高分子材料が充填されている、照明光源装置である。
本発明に用いる伝熱材料として、従来より各方面で用いられているシリコーンゴムを基
材とする熱伝導シートと同質の素材を用いる。

熱伝導シートはシリコーン材料に熱伝導のよい金属材料（銅、アルミニウムなど）のフィラーや微粒子を混練し、それをエラストマ状に重合させシート状に仕上げたものである。

本発明では、ゴム状に重合させる前の粘流動性のあるシリコーン材料を用い、多数個のＬＥＤチップが線状に実装された配線基板と、金属筺体とで形成される細長い空間に上記シリコーン材料を注入し、その空間で重合反応（ゴム化）させることで、配線基板と金属筺体との熱的結合を成したものである。

高温側となる配線基板と放熱側となる金属筺体との空間が、熱伝導性を有するシリコーンゴムで満たされているので、熱伝導路として極めて大面積のものが確保できる。また粘流動性を有するシリコーン材料を注入した後、重合してゴム化するので、配線基板に少々の凹凸があっても、また金属筺体内面がザラ目状でも、充分に馴染んで接着される。

以上のような理由から、前述した開示例のように金属フィルムで熱的結合を行うのと比べると遥かに熱伝導容量が大きく、効率的な放熱が行える。その結果ＬＥＤチップの温度上昇が低く抑えられ、ＬＥＤチップを封止している樹脂材料の劣化がゆるやかとなり、照明光源装置としての寿命も長く保持される。

また、本発明は、軽量，薄型化が強く要求される携帯型パソコンのディスプレイのバックライト光源として用いられているＬＥＤ（多数個直列状に配置されている）の放熱構造に用いることでその効果がいっそう発揮できる。

以下本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１は、照明光源装置の一例としてのバックライト光源を用いた照明光源装置である。図１は、バックライト光源の光源部の参考例の概略図である。光源部は、多数個のＬＥＤチップ１が配線基板２に直列搭載されたものである。個々のＬＥＤチップ１は透明樹脂３でポッティング封止されている。図１に示すように直接配線基板２にＬＥＤチップ１を搭載しただけでは、放射光の利用効率は十分とはいえない。

より明るくディスプレイを照明するには、発光源から放射された光を、可能な限り多く導光板に導入することが必要である。そのためにはＬＥＤチップ１から放射された光を、極力導光板の光線入射部へと導く必要がある。

また図１に示すように、一定の間隔で並べられたＬＥＤから放射された光は、ＬＥＤは点光源であるため、ＬＥＤチップの近傍部分が明るく照明されるいわゆる「目玉現象」という現象が発生する。これを低減するためには、ＬＥＤチップの並び方向に光を拡散させ、冷陰極線管の如く線状光源に近づけることが望ましい。

以下光線利用効率を高めるための本発明の実施の形態１に係るバックライト光源の光源部を説明する。

図２は、本発明の実施の形態１に係るバックライト光源のＬＥＤ直列モジュールの概略図である。ＬＥＤ直列モジュール２１は、セラミック(アルミナ等)素材で造られた長四角柱状を成したチップ基台２２に、複数のＬＥＤチップ２３が搭載されている。チップ基台２２には両側に斜面を持った凹部２４が複数箇所形成されており、その底部該中央にＬＥＤチップ２３がボンディングされている。チップ基台２２には各ＬＥＤチップ２３を電気的に結合する配線回路が形成されている。

なお凹部２４の空間は、ＬＥＤチップ封止用の透明な樹脂で充たされている(透明樹脂の屈折率は約Ｎｄ＝１．５５)。

上記のように構成されたＬＥＤチップ２３の光線出射状態を説明する。図３はＬＥＤ直列モジュール２１を横方向から観た時の凹部２４を拡大して示した図である。チップ基台２２はアルミナ材で造られているので反射率の高い白色を呈している。したがってＬＥＤチップ２３から射出された光は、凹部２４内壁で反射されて、図３で示しているような各方向に分散出射される（代表的な光線を図示している）。光線の進路前方には導光板の光線入射部が位置しており、チップ基台２２を用いることで導光板に多くの光を導くことができ、光を有効に利用することが可能となる。また光がＬＥＤチップ２３の両翼方向に適度に分散するので、冷陰極線管の如き線状光源に近づく。

図４は、本発明の実施の形態１に係るバックライト光源の概略図である。ＬＥＤ直列モジュール２１を複数個、さらに配線基板３１に一列に配置搭載して長尺化したバックライト光源５１であり、大型サイズの液晶ディスプレイのバックライト光源としての使用展開を目論んだものである。

配線基板３１には、各ＬＥＤ直列モジュール２１への配線回路と共にＬＥＤを点灯制御する駆動回路も構築されている。配線基板３１の基材には、ＬＥＤチップ２３の発熱を速やかに拡散するために熱伝導のよいアルミニウム板が使われている。

図５は、上記したバックライト光源５１、導光板５２、反射シート５３、拡散シート５４、液晶パネル５５を組み合わせた時の断面図である。

これらの各部材は、バックライトフレーム(図示せず)に搭載組付けされている。

反射シート５３と拡散シート５４は、配線基板３１に突き当たるように取付けられており、ＬＥＤ直列モジュール２１群は、この両者に挟み込まれている。反射シート５３は全面アルミ蒸着(または銀蒸着)が施され鏡面に仕上げられているか、または反射率が高く拡散性の良い白色のプラスチックシートが使用されている。また拡散シート５４は、導光板端面５２ａから配線基板３１に突当たるまでの領域に、鏡面反射テープ５４ａが貼り合わされている（鏡面反射テープは無くてもよい）。

ＬＥＤチップ２３から下または上方向に放射される光線は、反射シート５３あるいは拡散シート５４の内面で反射され、多くの光線は導光板５２の光線入射端面５２ａに入射する。

以上説明したように、反射シート５３と拡散シート５４を延長させ、ＬＥＤ直列モジュール２１群を挟み込むよう構成することで、極めて簡単な構造で光線利用効率の高い液晶ディスプレイユニット５０が実現できる。

図６は、熱伝導性シリコーン材を注入している状態図である。液晶ディスプレイユニット５０を、金属筺体６１に組み込んだときの状態では、配線基板３１の端辺がアルミニウムあるいはマグネシウム合金などの金属筺体６１の内面に当接するように挿置される。このようにして形成される配線基板３１と金属筺体６１とで囲まれる空間６２に、前記したように金属フィラーや金属微粒を混練したシリコーン材料６３を注入充填し、その状態で重合(ゴム化)するのを待つ。金属フィラー（金属微粒）を混練するシリコーン材料は、空気中の水分を吸収して室温で重合する一液型のものでも、２種のシリコーン材料を混合することで重合が始まる多材料型のものでもどちらでもよい。多材料型のものは少し加熱してやれば重合反応が促進されるので作業性が向上する。

なお注入したシリコーン材料の漏洩を防ぐために、金属筺体６１内面の、配線基板３１の端面が当接する部分に両面粘着テープ６４を貼っておき、突き当てれば確実にシールが行える。

また、図７に示すように配線基板３１の両端は開口となっているので、そのままではシリコーン材料６３を注入すると流れだしてしまう。そこで図７に示すように両端開口部に図に示す如くスポンジゴムのブロック７１などを嵌めて堰き止めている。

以上説明したように、ＬＥＤが搭載された配線基板と金属筺体との空間が熱伝導率の良いシリコーンゴムでしかも大面積で結合されることで、従来にない高い効率で熱伝導および放熱がなされる。

なお今までの説明のものは、所定の空隙に熱伝導性を有する粘液状のシリコーン材料を注入し、そこで重合を行わせるものであったが、金属筺体の形状によっては、図６に示す如く配線基板をきっちりと突き合わすことが出来ないこともある。その場合は粘液状のシリコーン材料を注入することはできない。その様な場合は以下に述べるような方法が有効である。

指で押せば容易に変形する程の粘度に仕上げた熱伝導性シリコーン材料を、図８に示すように、細長い紐状あるいは長短冊状に加工しておき、それを該空間に押し込んでいき、配線基板および金属筺体に密着させれば、図６で示したのとほぼ同様の構成となり、おなじ効果が得られる。

本発明は、特に携帯型パソコンの分野で有望である。今後携帯型パソコンの液晶ディスプレイのバックライト光源は、省電力,高輝度，かつ耐衝撃性が高く長寿命である発光ダイオードに移行する必然性が高い。

携帯型の機器は小形軽量化が求められ当然バックライト光源も小形化と共に高輝度化という相反する要件を追求していかなければならない。小形化したとき問題となるのは、ＬＥＤチップの冷却（放熱）である。

本発明は、熱伝導媒体として熱伝導性シリコーンゴムを用い、効率の良い放熱手段を提供するもので利用価値が高い。

本発明は、バックライト光源を用いる液晶ディスプレイ等として有用である。

バックライト光源の光源部の参考例の概略図 本発明の実施の形態１に係るバックライト光源のＬＥＤ直列モジュールの概略図 ＬＥＤ直列モジュール２１を横方向から観た時の凹部２４を拡大して示した図 本発明の実施の形態１に係るバックライト光源の概略図 バックライト光源５１、導光板５２、反射シート５３、拡散シート５４、液晶パネル５５を組み合わせた時の断面図 熱伝導性シリコーン材を注入している状態図 配線基板の端部開口にスポンジゴムブロックを嵌めこんだ図 粘土的軟性を有した熱伝導性シリコーン材を紐状と長短冊状に形成した図

符号の説明

１ ＬＥＤチップ
２ 配線基板
３ 透明樹脂
２１ ＬＥＤ直列モジュール
２２ チップ基台
２３ ＬＥＤチップ
２４ 凹部
３１ 配線基板
５０ 液晶ディスプレイユニット
５１ バックライト光源
５２ 導光板
５３ 反射シート
５４ 拡散シート
５５ 液晶パネル
６１ 金属筺体
６２ 空間
６３ シリコーン材料
６４ 両面粘着テープ

Claims (3)

1. 複数の発光体が搭載された配線基板と、
   前記発光体からの光を入射面である端面から入射し、出射面である主面から出射する導光板と、
   前記導光板からみて前記出射面とは反対側に位置する底面と、前記底面の端部から前記導光板側に延びた側面と、を有する金属筐体と、を備え、
   前記配線基板の端辺は前記金属筐体の前記底面に当接するように位置し、
   前記底面、前記側面および前記配線基板によって形成される空間に、金属微片あるいは金属微粒が混練された高分子エラストマが充填されている、
   照明光源装置。
2. 複数の発光体が搭載された配線基板と、
   前記発光体からの光を入射面である端面から入射し、出射面である主面から出射する導光板と、
   前記導光板からみて前記出射面とは反対側に位置する底面と、前記底面の端部から前記導光板側に延びた側面と、を有する金属筐体と、を備え、
   前記配線基板の端辺は前記金属筐体の前記底面に当接するように位置し、
   前記底面、前記側面および前記配線基板によって形成される空間に、金属微片あるいは金属微粒が混練されたゴム状のシリコーン高分子材料が充填されている、
   照明光源装置。
3. 請求項１又は２に記載の照明光源装置と、
   前記拡散板から見て前記導光板とは反対側に設けられた液晶パネルと、を備えた、
   液晶ディスプレイ。

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