JP4997402B2 - チップ状点光源装置及びこれを用いた面状光源装置、液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードを光源とするチップ状点光源装置に関するものであり、さらには点光源装置を組み込んだ面状光源装置、前記面状光源装置を用いた液晶表示装置に関する。

近年、パーソナルコンピュータやワードプロセッサ等の情報機器の表示装置、テレビ、ビデオムービー、カーナビゲーションシステム等の映像機器の表示装置として、軽量、薄型、低消費電力という特長を持つ液晶表示装置が多用されている。このような液晶表示装置においては、明るい表示画面を実現するために、液晶表示パネルの背後から照明光を当てるための照明ユニット（面状光源装置）を内蔵した構成をとるものが多い。

ここで、照明ユニットは、光源の配置箇所によってエッジライト方式と直下方式とに分類される。例えばエッジライト方式は、液晶表示パネルに対向する導光板のエッジに光源を配置する方式である。また、直下方式は、蛍光放電管等の直管状の光源を液晶表示パネルの裏面に複数配置し、液晶表示パネルと光源との間に拡散板を配置する方式である。これら方式のうち、エッジライト方式は、薄型化の点で有利であり、例えば携帯用電子機器の表示装置に適した方式と言うことができる。

ただし、エッジライト方式の面状光源装置では、導光板のエッジに配置される光源から出光される光を如何に効率良く利用できるかが課題になる。エッジライト方式の場合、光源としてＬＥＤ等の点光源が用いられ、このＬＥＤからの光を前記導光板を用いて順次屈折させ、面光源として利用している。この際、ＬＥＤの光は、導光板のプリズム面により進行方向が曲げられるが、出光面に対して垂直に進む光は、導光板入光面からそのまま直進して反対側の面まで進むため、プリズム面に照射されることがなく、バックライトの光としてほとんど利用されない。ＬＥＤの指向特性においては、前記出光面に対して垂直に進む光の光量が最も強く、したがってＬＥＤのトータルの光量を生かしきれず、利用されない光量が大きくなって効率低下の大きな要因となっている。

このような状況から、ＬＥＤ光源全体の角度を変えることでＬＥＤの指向特性を変え、ピーク光量の角度を変えることで、バックライトのような面状光源におけるＬＥＤ発光効率を高めることが試みられている。例えば、特許文献１には、液晶表示装置の下面側に拡散シートと導光板と、該導光板の側面に光源とを備えた液晶表示装置のバックライト構造において、前記光源の発光面を前記導光板の上面側に向けて傾斜させて配設したことを特徴とする液晶表示装置のバックライト構造が開示されている。

特許文献１記載のバックライト構造では、導光板に入射した光の多くは、上面側に向かって進み、鏡面からなる上面で全反射を起こし、導光板の底面側や側面側に反射される。これらの反射光は、導光板の底面に設けた拡散・反射手段等によって導光板の上面側に反射され、液晶表示装置に放射される。これにより、部分的に極端に明るくなる場所がなくなり、明るさが均一になるという効果を得ることができる。
特開２００５−２６８０２１号公報

しかしながら、チップ状の形態を有する光源を導光板の上面側に向けて傾斜させて配設しようとすると、光源の高さ方向の寸法が拡大してしまい、面状光源の薄型化、ひいては液晶表示装置の薄型化の妨げになる。特許文献１記載の発明では、枠体に傾斜面を設け、ここに光源を設置するようにしているが、枠体の底面の厚みを拡大せざるを得ず、その分、液晶表示装置の厚みを増すことになる。また、枠体の形状を特殊な形状とする必要が生ずる等、製造コスト増の原因となったり、あるいは傾斜面への光源の取り付けが煩雑になる等の問題が生ずるおそれもある。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、発光ダイオードから出光される光を効率的に利用することができ、しかも面状光源装置や液晶表示装置の薄型化の妨げとなることのない点光源装置を提供することを目的とする。また、本発明は、発光効率に優れ、製造コストの上昇や作業性の低下等を招くことなく薄型化を実現することが可能な面状光源装置及び液晶表示装置を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明に係るチップ状点光源装置は、支持基板と、当該支持基板上に設置された発光ダイオードとを備え、これらがパッケージ化されて所定の出光面から発光ダイオードの光が出光されるチップ状点光源装置であって、前記支持基板の発光ダイオード設置面が曲面状に形成され、前記発光ダイオードの微小チップが任意の傾斜角度で支持基板に取り付けられて、前記支持基板の発光ダイオードが形成される面が前記出光面に対して斜めに形成され、前記発光ダイオードの出光方向が前記出光面の垂直方向に対して斜めに設定されていることを特徴とする。本発明は、前記発光ダイオードの微小チップが前記支持基板に取り付けられた後、曲面状に形成された前記支持基板の凹部が蛍光体で埋められて平坦化され、前記出光面となっていることを特徴とする。

また、本発明の面状光源装置は、前記チップ状点光源装置が、導光板の端面に沿って配列されていることを特徴とする。本発明の液晶表示装置は、前記チップ状点光源装置の導光板上に液晶表示パネルが重ねて設置されていることを特徴とする。

本発明のチップ状点光源装置においては、支持基板の発光ダイオードが形成される面が出光面に対して斜めに形成されており、発光ダイオードの出向方向が出光面の垂直方向に対して斜めに設定されている。したがって、発光ダイオードから出光される光のうち光量が最も強い部分が導光板のプリズム面に入射され、利用効率が大きく改善される。

一方、チップ状点光源装置自体は、通常の実装状態とすればよく、例えば特許文献１記載の発明のように斜めに傾けて設置する必要はない。したがって、設置（実装）に際してチップ状光源装置の高さ方向の寸法を拡大することがなく、薄型化に寄与する。また、チップ状点光源装置の実装面は平坦面で良く、取り付けが容易であり、例えば枠体の形状を特殊な形状としたり枠体の厚さを増す必要もない。

本発明のチップ状点光源装置によれば、発光ダイオードから出光される光を効率的に利用することができる。また、チップ状点光源装置自体は斜めに設置する必要がなく、実装に際して高さ寸法を拡大することもない。平坦面に実装すればよいので、設置作業が容易であり、実装面の変更も不要である。

一方、前述のチップ状点光源装置を組み込んだ面状光源装置及び液晶表示装置では、発光効率に優れた面状光源装置、液晶表示装置を実現することが可能であり、しかも製造コストの上昇や作業性の低下等を招くことなく薄型化を実現することが可能である。

以下、本発明を適用したチップ状点光源装置、及びこれを用いた面状光源装置、液晶表示装置について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明を適用したチップ状点光源装置の一例を示すものである。このチップ状点光源装置１は、支持基板２上に発光ダイオード３を形成してなるものであり、発光ダイオード３を覆って蛍光体部４が形成され、略々立方体形状あるいは略々直方体形状にパッケージ化されている。このチップ状点光源装置においては、蛍光体部４の表面４ａにより出光面が構成され、発光ダイオード３の光はこの出光面（蛍光体部４の表面４ａ）から出光される。

ここで、前記蛍光体部４は、発光ダイオード３の発光スペクトルを調整するために設けられており、最も明るくすることが可能な白色発光を実現している。例えば発光ダイオード３として青色ＬＥＤを用いた場合、蛍光体部４に黄色の蛍光体を用いることにより、白色発光が可能になる。

発光ダイオード３は、前記支持基板２の発光ダイオード形成面２ａに薄膜技術及びフォトリソ技術によって直接形成されており、例えばｐ型クラッド層とｎ型クラッド層で活性層を挟み込んだダブルへテロ構造を有する。

前記チップ状光源装置１において特徴的な事項は、支持基板２の発光ダイオード形成面２ａが傾斜面とされ、この上に形成される発光ダイオード３から出射される光の方向が、前記出光面（蛍光体部４の表面４ａ）の垂直方向に対して傾いていることである。

例えばチップ状点光源装置１を面状光源装置に組み込んだ場合、図２（ａ）に示すように、チップ状点光源装置１から発せられた光は、導光板５の底面（プリズム面）５ａで反射され、上面５ｂ側へ出光される。ただし、チップ状点光源装置１の出光面に対して垂直方向に発せられた光は、図２（ｂ）に示すように真っ直ぐに進み、前記プリズム面とは接触することなく反入射面側まで進む。したがって、前記出光面に対して垂直方向に発せられた光は、面状光源装置の発光量としては生かせない光となる。

図３は、発光ダイオード３の指向特性を示す図である。発光ダイオード３から出る光の指向特性においては、０°における光度が大きい。すなわち、発光ダイオード３から発せされる光が出光面に対して垂直方向になるように設置すると、面状光源装置の発光量として生かせない光の光量が最も多くなり、発光ダイオード３からの光を効率的に利用することができない。

そこで、本実施形態のチップ状点光源装置１においては、支持基板２の発光ダイオード形成面２ａを傾斜面とし、発光ダイオード３から発せされる光の方向（前記発光ダイオード３の指向特性における０°の方向）が前記出光面の垂直方向から任意の角度ずらした方向となるように設定している。これにより、発光ダイオード３の指向特性を変え、ピーク光量の角度を変えることができ、発光ダイオード３からの光を効率的に利用することが可能である。

この場合、前記発光ダイオード３の出光方向を前記導光板５の下面（底面５ａ）に向けて斜めに設定してもよいし、逆に、発光ダイオード３の出光方向を導光板５の上面５ｂに向けて斜めに設定してもよい。ただし、後者の場合（上面に向けて斜めに設定した場合）、導光板５をそのまま透過した光が直接視認されることにより均一性が損なわれ、表示品位を低下する等の問題が生ずるおそれがある。したがって、前者（下面に向けて斜めに設定）の方が好ましい形態と言える。

また、前記斜めに設置する場合の傾斜角度としては、任意の角度に設定することができるが、例えば発光ダイオード３の出光方向を導光板５の下面に向けて斜めに設定する場合には、ピーク光量の方向（発光ダイオード３の指向特性における０°の方向）が直接導光板５の底面に照射されるような角度とすることが好ましい。

例えば図４に示すように、導光板５の厚さをｔ、その１／２をｄ、導光板５の長さをＬ、発光ダイオード３の出光方向とチップ状点光源装置１の出光面の垂直方向とがなす角度（傾斜角度）をθとした場合、導光板５の厚さｔや長さＬに応じてピーク光量となる光（指向特性における０°方向の光）が直接導光板５の底面に照射されるためには、前記傾斜角度θの最小値を表１に示す値とする必要がある。したがって、表１に示す条件においては、前記傾斜角度を概ね０．２°〜３°以上に設定することが好ましい。

発光ダイオード３の出光方向が前記傾斜角度θとなるように設定する場合、導光板５の底面５ａをこれに対応して適正なプリズム面とすることが好ましい。すなわち、ピーク光量となる光（指向特性における０°方向の光）が照射される位置に応じてプリズム面を最適化することが好ましい。これにより、発光ダイオード３からの光の大部分を導光板５の底面（プリズム面）５ａで反射し、上面５ｂ側へ出光することができる。

以上の構成を有するチップ状点光源装置１においては、発光ダイオード３の出光方向を出光面の垂直方向から任意の角度ずらして斜めに設定しているので、発光ダイオード３から出光される光を効率的に利用することができる。また、チップ状点光源装置１を斜めに設置する必要がないので、実装に際して高さ寸法を拡大することがなく、設置作業が容易であり、実装面の変更も不要である等の利点も有する。

チップ状点光源装置の構成としては、前記実施形態のものに限られず、種々の変更が可能である。例えば、図５に示すように、支持基板１１の発光ダイオード設置面１１ａを曲面状に湾曲形成し、ここに微小発光ダイオードチップ１２を設置することも可能である。微小発光ダイオードチップ１２を設置した後、湾曲形成された支持基板１１の凹部を蛍光体１３で埋めて平坦化し、この平坦な面を出光面１４とする。

このような形態を採用することにより、微小発光ダイオードチップ１２の出光方向を出光面１４の垂直方向に対して任意に設定することが可能である。すなわち、微小発光ダイオードチップ１２を前記湾曲形成された発光ダイオード設置面１１ａに設置する際に、設置位置をずらすことにより、微小発光ダイオードチップ１２の出光方向と出光面１４の垂直方向とがなす角度を調整することが可能となる。前記発光ダイオード設置面１１ａの湾曲中心に近い位置に微小発光ダイオードチップ１２を設置すれば、前記傾斜角度θは小さくなり、前記発光ダイオード設置面１１ａの湾曲中心から遠い位置に微小発光ダイオードチップ１２を設置すれば、前記傾斜角度θは大きくなる。

次に、前述のチップ状点光源装置を組み込んだ面状光源装置及び液晶表示装置について説明する。

図６は、前述のチップ状点光源装置を組み込んだ面状光源装置（バックライトユニット）２１の基本構成を示すものである。本実施形態のバックライトユニット２１は、図６に示すように、チップ状点光源装置であるＬＥＤチップ２２が実装されたフレキシブル基板２３と導光板２４とから構成されており、点光源であるＬＥＤチップ２２の光が前記導光板２４によって面光源に変換される。

フレキシブル基板２３は、前記導光板２４の幅と略等しい長さを有する帯状のＬＥＤチップ実装部２３ａと、当該実装部２３ａから所定の方向（例えば直交方向）に引き出される引き出し配線部２３ｂとから構成され、ＬＥＤチップ実装部２３ａに前記ＬＥＤチップ２２が所定の間隔（例えば等間隔）で配列された状態で実装されている。引き出し配線部２３ｂは、例えばＬＥＤチップ２２を駆動する電源部等に接続される。

前記ＬＥＤチップ２２は、先に説明したチップ状点光源装置としての構成を有し、その出光面２２ａから導光板２４の端面に向けて光を照射する。したがって、本実施形態の面状光源装置は、いわゆるエッジライト方式の面状光源装置である。本例の場合、ＬＥＤチップ２２はフレキシブル基板２３の長手方向に沿って複数（３個）配列されており、また各ＬＥＤチップ２２はほぼ等間隔に配列されている。各ＬＥＤチップ２２は、フレキシブル基板２３上に形成された配線の端子部に電極がはんだ付けされており、フレキシブル基板２３を介して外部駆動回路と電気的に接続される。

前記ＬＥＤチップ２２においては、内蔵されたＬＥＤからＬＥＤチップ２２の出光面２２ａの垂直方向に対して斜め方向に光が出光され、したがってフレキシブル基板２３の取り付け方向によって、前記光が導光板２４の下面あるいは上面に向けて照射される。その結果、ＬＥＤチップ２２から出光された光の大部分が導光板２４のプリズム面（下面）で反射され、上面側へと出光されてバックライトの発光量として有効利用される。

以上の構成を有するバックライトユニット２１は、液晶表示装置において、面光源装置として組み込まれる。そこで次に、前述のバックライトユニット２１を組み込んだ液晶表示装置について説明する。

図７は、面光源装置であるバックライトユニット２１が組み込まれた液晶表示装置を分解して示すものである。本実施形態の液晶表示装置は、図７に示すように、液晶パネル３１と前述のバックライトユニット２１とを備え、これらを金属材料や樹脂材料等で形成されたフレーム３２で保持するようにしている。

前記フレーム３２は、前記液晶パネル３１や導光板２４の主面と略垂直な外枠部を有しており、この外枠部によって液晶パネル３１や導光板２４の外周を保持する。フレーム３２においては、外周を保持する機能を有するならば構成材料にはこだわらない。例えば、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、各種プラスチック等の樹脂材料であっても良いし、ステンレス、亜鉛めっき鋼、アルミニウム（合金や表面処理材等を含む。）、鉄、鋼等の金属材料であっても良い。あるいは、その他の材料でも構わない。

液晶パネル３１は、例えばアレイ基板と対向基板の間に液晶材料を封入することにより構成され、アレイ基板には表示画素に対応して画素電極及びスイッチング素子（薄膜トランジスタ）がマトリクス状に形成されている。また、アレイ基板には、画素電極に電気信号を送るための信号線と、スイッチング素子である薄膜トランジスタにスイッチング信号を供給するためのゲート線とが互いに直交して配線されている。一方、対向基板には、対向電極が透明電極材料（例えばＩＴＯ等）によりほぼ全面に形成されており、各画素に対応してカラーフィルタ層が形成されている。さらに、前記アレイ基板と対向基板の外表面には、それぞれ偏光板を偏光軸が互いに直交するように貼り合わされている。

液晶パネル３１には、駆動信号を供給するＬＳＩ３３が実装されており、外部回路基板からの駆動信号に基づいて前記スイッチング素子が駆動されることで画像表示が行われる。この画像表示が行われる領域が表示領域であり、前記液晶パネル３１は多数の画素が配列された表示領域を有することになる。

前記バックライトユニット２１は、前記液晶パネル３１のバックライトとして組み込まれるものであり、光源であるＬＥＤチップ２２からの光を前記液晶パネル３１の背面に光照射するための導光板２４と、この導光板２４の裏面側に配される反射シート３４とを備えている。光源であるＬＥＤチップ２２は、前記導光板２４の少なくとも一辺に沿って設けられており、本実施形態の場合、ＬＥＤチップ２２が実装されたフレキシブル基板２３が導光板２４の短辺側に設置されている。なお、フレキシブル基板２３が導光板２４のどの辺に設けられるかは、一般に液晶表示装置の全体設計と関わるため、短辺にこだわるものではなく、例えば長辺に設けられても良い。

前記導光板２４と液晶パネル３１の間には、複数枚の光学シート（ここでは３枚の光学シート３５，３６，３７）が介在されており、これらが重ね合わされた状態でフレーム３２に固定されている。なお、液晶パネル３１の固定には、枠状の両面接着シート３８が用いられ、当該両面接着シート３８により液晶パネル３１をフレーム３２に接着固定することで、前記光学シート３５，３６，３７や導光板２４、ＬＥＤチップ２２が実装されたフレキシブル基板２３等が液晶パネル３１とフレーム３２の間に挟み込まれて固定される。

光源であるＬＥＤチップ２２から出射された光は、直接又は反射シート３４により反射されて導光板２４へ導かれ、導光板２４のプリズム面により屈折されて液晶パネル３１に照射される。液晶パネル３１では照射された光が透過され、文字や映像等の画像が所定の明るさで表示されることになる。

面状光源装置であるバックライトユニット２１においては、ＬＥＤチップ２２からの光を効率的に利用することが可能であり、液晶パネル３１の画像等を高輝度で表示することが可能である。また、前述のバックライトユニット２１及び液晶表示装置においては、ＬＥＤチップ２２自体を傾けて設置する必要がないので、薄型化にも有利であり、ＬＥＤチップ２２の実装も容易である。

チップ状点光源装置の一構成例を示す概略断面図である。 発光ダイオードから出光される光が導光板を伝播する様子を示す模式図であり、（ａ）は斜めに入射された光が導光板を伝播する様子を示し、（ｂ）は垂直に入射された光が導光板を伝播する様子を示す。 発光ダイオードから出光される光の指向特性を示す図である。 導光板の厚さｔ、長さＬ及び発光ダイオードから出光される光の傾斜角度θを示す模式図である。 チップ状点光源装置の他の構成例を示す概略断面図である。 チップ状点光源装置（ＬＥＤチップ）が組み込まれた面状光源装置（バックライトユニット）の一例を示す概略斜視図である。 液晶表示装置の一例を示す分解斜視図である。

符号の説明

１ チップ状点光源装置、２ 支持基板、２ａ 発光ダイオード形成面、３ 発光ダイオード、４ 蛍光体部、４ａ 出光面、５ 導光板、１１ 支持基板、１１ａ 発光ダイオード設置面、１２ 微小発光ダイオードチップ、１３ 蛍光体、１４ 出光面、２１ バックライトユニット、２２ ＬＥＤチップ、２３ フレキシブル基板、２４ 導光板、３１ 液晶パネル、３２ フレーム、３４ 反射シート

Claims (5)

1. 支持基板と、当該支持基板上に設置された発光ダイオードとを備え、これらがパッケージ化されて所定の出光面から発光ダイオードの光が出光されるチップ状点光源装置であって、前記支持基板の発光ダイオード設置面が曲面状に形成され、前記発光ダイオードの微小チップが任意の傾斜角度で支持基板に取り付けられて、前記支持基板の発光ダイオードが形成される面が前記出光面に対して斜めに形成され、前記発光ダイオードの出光方向が前記出光面の垂直方向に対して斜めに設定されていることを特徴とするチップ状点光源装置。
2. 前記発光ダイオードの微小チップが前記支持基板に取り付けられた後、曲面状に形成された前記支持基板の凹部が蛍光体で埋められて平坦化され、前記出光面となっていることを特徴とする請求項１記載のチップ状点光源装置。
3. 請求項１または２記載のチップ状点光源装置が、導光板の端面に沿って配列されていることを特徴とする面状光源装置。
4. 前記チップ状点光源装置の発光ダイオードは、その出光方向が前記導光板の出光面とは反対側の面に向かって斜めに設定されていることを特徴とする請求項３記載の面状光源装置。
5. 請求項３または４記載の面状光源装置の導光板上に液晶表示パネルが重ねて設置されていることを特徴とする液晶表示装置。

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