JP5429633B2

JP5429633B2 - 面発光装置及び液晶表示装置

Info

Publication number: JP5429633B2
Application number: JP2010026657A
Authority: JP
Inventors: 幸周橋本
Original assignee: NLT Technologeies Ltd
Current assignee: Tianma Japan Ltd
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: US20100225850A1; CN101900277B; CN101900277A; US8373822B2; JP2010238659A

Description

本発明は面発光装置及びこれを備えた液晶表示装置に関する。

液晶バックライトなどの光源として、点光源であるＬＥＤチップからの光を面状に発光させる面発光装置が用いられている（特許文献１）。この面発光装置は、対向する一対の主面を有する導光板の端面から１又は２以上の発光ダイオードからの光を入射させてその導光板の一方の主面全体から光を出射させるように構成されている。

この面発光装置においては、その出射面から均一に光を出力することが重要であり、この均一性を実現するために種々の構造が提案されている。

図１２〜図１４を参照して面発光装置の一例を説明する。

図１２〜図１４に示すように、面発光装置は、対向する出射面と反射面を有する導光板９１０と、導光板９１０の反射面９１１に設けられた反射シート９２０と、少なくとも１つのＬＥＤ素子を含みそのＬＥＤ素子からの光が導光板９１０の一端面９１２から入射するように設けられたＬＥＤ光源９３０とを含む。導光板９１０に入射した光は、導光板９１０の出射面９１３から出射される。導光板９１０は、一端面９１２に、ＬＥＤ光源９３０からの光が導光板９１０内で分散するように窪ませた光拡散部９１４を有する。加えて、光拡散部９１４は、該光拡散部９１４の上端が一端面９１２において出射面９１３から離れて形成されている（図１４ｂ）。ここで、導光板の出射面とは、発光させる面のことをいい、反射面とは発光面と反対側の面をいう。

光拡散部９１４は、図１３に示すように、入射した光によって導光板９１０の出射面９１３を効率良く発光させるために、上記一端面９１２において出射面９１３から離れた一点を頂点として反射面９１１に向かって半角錐又は半円錐状に切り欠かれてなる複数の切り欠きから成ることが好ましい。

上記のように、図１２の面発光装置では、導光板９１０の入射端面に半角錐又は半円錐状の複数の切り欠きから成る光拡散部９１４を形成している。これにより、ＬＥＤ光源９３０から出た光は光拡散部９１４で図１４（ａ）に模式的に示すように拡散されて導光板９１０内に入射し、導光板９１０の出射面９１３における発光輝度の均一性を向上させている。

特開２００１−２８２０３号公報

しかしながら、図１２の面発光装置では、ＬＥＤ光源９３０から出た下向きの光は、図１４（ｂ）に模式的に示すように若干出射面方向に進路を変更するが不十分であり、反射面９１１から出光した光が反射シート９２０で反射し異常発光していた。また、ＬＥＤ光源９３０から出た下向きの光が導光板９１０の反射面９１１に当たらないように切り欠きを大きくすると、ＬＥＤ光源９３０から導光板９１０の実際の入光面までの距離が大きくなって輝度が低下し、切り欠きの斜面又は上面が表示面側（出射面側）から見えるようになって輝度均一性が損なわれ、ＬＥＤ光源９３０から出た下向きの光の拡散が不十分となる。輝度低下を低減するために、光拡散部１４の切り欠きを大きくする一方、光源を小さくして切り欠きの中に光源を入れることは可能である。しかし、このようにすると、光源と切り欠きとが干渉して導光板の側面側に光源を取出すことができず、メンテナンス性が悪い。

本発明は上記のような問題を解決し、メンテナンス性がよく、より発光輝度の均一性に優れ、高輝度発光可能な面発光装置を提供しようとするものである。

本発明に係る面発光装置は、互いに対向する出射面と反射面を有する導光板と、この導光板の反射面に設けられた反射シートと、少なくとも１つのＬＥＤ素子を有しそのＬＥＤ素子からの光を導光板の一端面から入射するように設けられたＬＥＤ光源とを備え、導光板の出射面から光を出射する。このような面発光装置において、ＬＥＤ光源直前の導光板の反射面に凹み（光拡散部）を形成し、この凹みでＬＥＤ光源から出た下向きの光を拡散させる。

具体的には、本発明に係る面発光装置においては、前記導光板は、前記ＬＥＤ光源直前の前記反射面側に、凹みを、１つのＬＥＤ素子に対し１つ有し、前記凹みの大きさは、前記導光板の幅方向に関する横幅が、対向するＬＥＤ素子の出射面の寸法以上であり、前記導光板の厚み方向に関する前記反射面からの深さが、対向するＬＥＤ素子の出射面に対向する領域にかからないようにされている。

前記凹みの好ましい態様は以下の通りである。

前記凹みは、前記入射端面から奥部側へ延び、且つ前記入射端面側から見た断面形状が、側面に壁が無いような円弧又は楕円弧形状であり、しかも奥部側へ延びるにつれて浅く且つ前記出射面側から見た平面形状が円弧又は楕円弧形状になっている。

前記凹みは前記入射端面から奥部側へ延び、前記凹みの形状は、その底面が前記反射面と平行であり、前記出射面側から見た平面形状は略半円形、楕円形、多角形のいずれかである。

前記凹みは前記入射端面から奥部側へ延び、前記凹みの形状は、その底面が奥部側に延びるに連れて浅くなるように傾斜している。

前記凹みは、前記入射端面から奥部側へ延び、且つ前記入射端面側から見た断面形状が略台形状である。この場合、前記凹みの斜面をＲ面としても良い。

また、前記出射面側から見た前記凹みの平面形状の面積は、前記対向するＬＥＤ素子の出射面から出た下向きの光が当該凹みにより露出している前記反射シートに当たり得るように設定されることが望ましい。

本発明に係る面発光装置は、前記ＬＥＤ光源が実装され、前記導光板の入射端面に略平行に配置される基板と、前記導光板の上面に配置された面状発光領域のための出射開口部を有する第１のシャーシと、前記第１のシャーシと嵌合して少なくとも前記基板の背面及び前記導光板の下面を略平行に覆う第２のシャーシと、を更に含み、前記面発光装置の側面には、前記基板を前記導光板の入射端面に沿って出し入れするための基板出し入れ部が設けられていても良い。

本発明によればまた、上記の面発光装置を備えた液晶表示装置が提供される。

本発明によれば、メンテナンス性が良く、発光輝度の均一性に優れ、高輝度発光可能な面発光装置が得られる。

本発明の第１の実施例に係る面発光装置を光の出射面から見た図である。図１に示された面発光装置の線Ａ−Ａによる断面図及びその一部を拡大して示した図である。図１に示された面発光装置における１つのＬＥＤ素子とこれに対向する導光板の一部との関係を示した斜視図である。図１に示された面発光装置におけるＬＥＤ光源の配光特性の例を示した図である。図１に示された面発光装置の光拡散部に光が入射した場合の光の経路を模式的に説明するための部分縦断面図及び部分平面図である。図１に示された面発光装置における導光板の入射端面に光が入射した場合の光の経路を模式的に示した図である。本発明の第２の実施例に係る面発光装置における１つのＬＥＤ素子とこれに対向する導光板の一部との関係を示した斜視図である。本発明の第２の実施例に係る面発光装置の一部の縦断面図及び平面図である。本発明の第２の実施例に係る面発光装置に光が入射した場合の光の経路を模式的に示した図である。図７に示された第２の実施例の変形例を示した図である。図１０の変形例の更に他の複数の例を示した図である。これまでの面発光装置を上面側から見た横断面図である。図１２に示された面発光装置の導光板に設けられた光拡散部について説明するための斜視図である。図１３に示された光拡散部による光の屈折について説明するための横断面図及び縦断面図である。本発明の第３の実施例に係る面発光装置の外観を示す斜視図である。図１５に示された面発光装置の線Ｂ−Ｂによる断面図である。

［第１の実施例］
（構成）
図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施例について説明する。

本発明の第１の実施例に係る面発光装置においては、図１、図２に示すように、導光板１は互いに対向する反射面１２と出射面１３を有し、反射面１２の下には反射シート３が設けられている。面発光装置はまた、導光板１の一端面である入射端面１１に、ＬＥＤ素子２の出射面２１が対向するように配置されたＬＥＤ素子２を備える。ＬＥＤ素子２は基板４により導光板１の入射端面１１の幅方向に沿って複数個設置されており、基板４と複数のＬＥＤ素子２はリフレクター５で覆われている。また、導光板１の出射面１３上には光学シート６が載せられている。

ここで、図３に示すように、特に第１の実施例に係る面発光装置は、導光板１の反射面１２に、出射面１３側に向けて凹みが成形されており、この凹みが光拡散部１４となる。後述する説明で明らかになるように、光拡散部１４において反射シート３と対向する面、すなわち反射シート３側から見た場合の凹みの底面（図３で言えば、上面）は光拡散部１４における光の入射面１５として規定される。

光拡散部１４の寸法は、導光板１の厚み２．７mm、ＬＥＤ素子２の発光寸法が幅３mm、高さ１．５mmである。ＬＥＤ素子２は導光板１の厚み方向の中央、かつＬＥＤ素子２と導光板１の入射端面１１の距離が０．５mmの位置に配置されている。配光特性が図４の様であるとすると、光拡散部１４の寸法は、長さＬ＝３．５mm、幅Ｗ＝３mm、高さＨ＝０．６mmとなる。長さＬは光拡散部１４が導光板１の奥行き方向に延びる寸法、幅Ｗは光拡散部１４が導光板１の幅方向に延びる寸法、高さＨは光拡散部１４が導光板１の厚み方向に延びる寸法である。光拡散部１４の長さＬは導光板１の奥行き方向に延びる寸法であり、光拡散部１４の幅Ｗは導光板１の幅方向に延びる寸法、光拡散部１４の高さＨは導光板１の厚み方向に延びる寸法であって導光板１の入射端面１１における凹みの最大深さである。特に、幅ＷはＬＥＤ素子２の出射面２１の幅寸法以上、入射端面１１における凹みの高さ（深さ）Ｈは、ＬＥＤ素子２の出射面２１に対応する領域にかからないようにされる。更に言えば、出射面１３側から見た凹みの平面形状の面積は、対向するＬＥＤ素子２の出射面２１から出た下向きの光が当該凹みにより露出している反射シート３に当たり得るように設定されることが望ましい。

いずれにしても、長さＬ、幅Ｗ、高さＨの寸法は、ＬＥＤ素子２と導光板１の入射端面１１の距離によって変わり、離れていると小さくなり、近づいていると大きくなる。

導光板１の反射面１２側に成形する凹みは、マシニング等の機械加工で作製できる。また、成形金型に凹みに対応する形状を入れ込んでおき、成形することでも凹みを作製できる。導光板１は、アクリル、ポリカーボネート等の成形性の良い透過性の屈折率１以上の材料で、平板のほか、楔のような形状でもよい。楔形状というのは、反射面１２、出射面１３の少なくとも一方が傾斜していることで奥行き方向に延びるにつれて厚みが漸減する形状である。

（動作）
ＬＥＤ素子２の出射面２１から出た光は、導光板１の入射端面１１及び光拡散部１４から導光板１に入射する。ＬＥＤ素子２の出射面２１から出る光は図４に示すような配光特性を有しており、導光板１の入射端面１１から入射する際、導光板材料の所定の屈折率で屈折する。導光板材料をアクリルとした場合、屈折率は１．４９である。

ＬＥＤ素子２の出射面２１から光拡散部１４に進んだ光は、図５に示すように、凹みに対応する部分にも反射シート３が存在するので、主に反射シート３で反射されたのち光拡散部１４の入射面１５から導光板１内に入射する。反射シート３で反射された光は光拡散部１４の中を直進することにより拡散されて光拡散部１４の入射面１５から入射する。

一方、ＬＥＤ素子２の出射面２１から導光板１の入射端面１１に進んだ光は、図６に示すように、導光板１の入射端面１１から導光板１内に入射する。ＬＥＤ素子２から出た下向き方向の光は、所定の屈折率で屈折し光拡散部１４の入射面１５に進む。この時、導光板材料がアクリルで屈折率１．４９とすると、屈折の法則により出射角が４３°以上の場合光拡散部１４の入射面１５で全反射されて上側に進み光が拡散され、出射角が４２°以下であれば光拡散部１４の入射面１５から凹みへ向けて出光する。光拡散部１４の入射面１５から出る光は、屈折率１．４９の導光板１から屈折率１．０００３の空気に出るので、屈折の法則により光拡散部１４の入射面１５での出射角は、光拡散部１４の入射面１５での出射角より大きくなる。よって出射した光は光拡散部１４でより遠くに拡散され、主に反射シート３で反射された光が光拡散部１４の入射面１５から再度導光板１内に入射する。

（効果）
第１の実施例でＬＥＤ素子２から出た下向きの光が光拡散部１４で拡散される方法は、図５、図６に示す経路１〜３の３通りある。

経路１：導光板１の入射端面１１から入光した下向きの光であって、光拡散部１４で反射されて拡散される光であり、光拡散部１４の角度の分反射により導光板１の中央側に拡散されている。先行事例（図１４ｂ）でも同じ様に角度がついているが、ＬＥＤ素子から出た下向きの光は、光拡散部がＬＥＤ素子の前面まで延びているため直接光拡散部から導光板に入射し、光拡散部の入射面で反射及び拡散されることがないので、第１の実施例のような効果は得られない。

経路２：導光板１の入射端面１１から入光した下向きの光が一旦光拡散部１４の入射面１５から出射して光拡散部１４で拡散される光である。これは、光拡散部１４の入射面１５から出射する際、光拡散部１４の入射面１５での出射角が屈折率により広くなって拡散され、この光がすぐに導光板１に入射するのではなく、光拡散部１４の空間を進むので、この進行分だけ拡散されることになる。先行事例では、上記経路１の場合と同様、ＬＥＤ素子から出た下向きの光は、光拡散部がＬＥＤ素子の前面まで延びているため直接光拡散部から導光板内に入射し、光拡散部での拡散効果がないので、第１の実施例のような効果は得られない。

経路３：直接光拡散部１４の入射面１５から導光板１内に入射する光で、光拡散部１４の角度分だけ導光板１の中央側に拡散されて入射する。これは、先行事例と同じ効果であるが、先行事例の場合、導光板の入射端面の切り欠きがＬＥＤ素子前面まで延びており、図４のＬＥＤ素子の配光特性より０〜２０°程度の直進する光の光度強度が強い。この光が導光板の入射端面の切り欠きから導光板に入射して、切り欠きの角度分だけ導光板の中央側に拡散されると光度強度が強いため光漏れが発生する。一方、第１の実施例の場合、光拡散部１４の深さはＬＥＤ素子２の前面にかからないためＬＥＤ素子２から出て直進する光が光拡散部１４に入射しないので、先行事例のような光漏れは起こらない。

また、先行事例は導光板の入射端面に切り欠きが設けられているため、ＬＥＤ素子と導光板の入射端面との距離が開く。ＬＥＤ素子から出る光は図４の様な配光特性をもっており、ＬＥＤ素子と導光板の入射端面との距離が大きくなると、放射角度が大きい光は反射シート及びリフレクターで反射されてから導光板に入射することになるので、反射シートとリフレクターの反射ロスの分だけ直接導光板に入る光の量が少なくなり、面発光装置の輝度が低くなる。しかし、第１の実施例では、ＬＥＤ素子２直前の導光板１における入射端面１１は切り欠きがなく垂直になっているので、ＬＥＤ素子２と導光板１の入射端面１１の距離を近くすることができ（最小０mm）、輝度を低くすることがない。

［第２の実施例］
次に、図７〜図９を参照して本発明の第２の実施例について説明する。

第２の実施例と第１の実施例との違いは、反射面１２側から形成される導光板１の光拡散部１４の形状にある。第１の実施例の光拡散部１４は、入射端面１１側から見た断面が円弧（又は楕円弧）状で且つ奥へ進むに連れて深さが浅くなる先細形状の凹みで側面の壁に相当する部分がない。これに対し、第２の実施例の光拡散部１４は、入射端面１１側から見た断面が四角形で深さは一定であり、且つ奥部の平面形状が半円形で側面の壁があり光拡散部１４の入射面１５（出射面）と反射シート３が平行になっている。光拡散部１４の長さＬ、幅Ｗ、高さＨは第１の実施例と変わらない。

第２の実施例は、ＬＥＤ素子２から出た下向き方向の光のうち、光拡散部１４の入射面１５から導光板１内に入射する光の拡散は同じで、導光板１の入射端面１１から光が入射した場合の経路１が第１の実施例と異なる。すなわち、導光板１の屈折率の関係で光拡散部１４の入射面１５で４２°以下で出射し、４３°以上で全反射されることは同じであるが、光拡散部１４の入射面１５が導光板１の反射面１２と平行であるため全反射され、光が第１の実施例に比べ導光板１の中央に拡散されない。

光拡散部１４の入射面１５が導光板１の反射面１２と平行であるため、導光板１の入射端面１１から入射したＬＥＤ素子２からの下向きの光が光拡散部１４の入射面１５で反射する際、光拡散部１４の入射面１５の奥部へ向っての傾斜がない分導光板１の中央に光が拡散されないが、その他の効果は第１の実施例と同じであるため、第１の実施例とほぼ同じ効果が得られる。

［変形例］
なお、第２の実施例の変形例として、ＬＥＤ素子２から出た下向き方向の光が当たる部分に凹みをつければよいので、光拡散部１４は、図１０の様に、側面に壁があり底面（上面）が奥部に向うにつれて浅くなるように傾斜している楔形状でも良い。

第２の実施例の更に他の変形例として、ＬＥＤ素子２から出た下向き方向の光が当たる部分に凹みをつければよいので、光拡散部１４は、図１１（ａ）〜（ｄ）の様な形状でも良い。以下に、各例（ａ）〜（ｄ）について簡単に説明する。

図１１（ａ）は、光拡散部１４の凹みの形状が断面四角形（入射端面１１側から見た断面であり、以下同じ）で且つ平面形状が五角形（平面形状は四角形でも可）である。

図１１（ｂ）は、光拡散部１４の凹みの形状が断面四角形で且つ平面形状が六角形である。

図１１（ｃ）は、光拡散部１４の凹みの形状が断面台形で且つ側面と底面（上面）がＲ面である。

図１１（ｄ）は、光拡散部１４の凹みの形状が断面台形であり、側面及び奥の面にテーパーがついている。

以上のような変形例でも、第１の実施例と同様の効果が得られる。

［第３の実施例］
図１５に示すように、面発光装置は、導光板１の上面における面状発光領域ＢＡのための出射開口部を有する第１のシャーシ１６と、第１のシャーシ１６と嵌合して少なくとも基板４の背面及び導光板１の下面を略平行に覆う第２のシャーシ１７とを備える。これにより、面発光装置の面状発光領域ＢＡを除く部分が第１のシャーシ１６と第２のシャーシ１７で覆われる。複数のＬＥＤ素子２を実装した基板４は、導光板１の入射端面１１に略平行に配置される。基板４の少なくとも一端側に対応した第１、第２のシャーシ１６、１７には開口部２０が形成されている。この開口部２０は、基板４を導光板１の入射端面１１に沿って出し入れするための基板出し入れ部として作用する。

上記のように、ＬＥＤ素子２を実装した基板４に近い部分の断面は図１６の様になっており、導光板１とＬＥＤ素子２が干渉しない構造になっている。従って、ＬＥＤ素子２を実装した基板４を、開口部２０、すなわち導光板１の側面側から容易に面発光装置外に取出すことができ、逆に、開口部２０を通してＬＥＤ素子２を実装した基板４を容易に面発光装置内に装着することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、メンテナンス性が良く、発光輝度の均一性に優れ、高輝度発光可能な面発光装置が得られ、特に液晶表示装置のバックライトに好適に用いることができる。

本発明の適用例としては、液晶背後に配置されるバックライト、表示灯や面発光スイッチなどに用いられる面発光装置が挙げられる。

１導光板
２ＬＥＤ素子
３反射シート
４基板
５リフレクター
６光学シート
１１入射端面
１２反射面
１３出射面
１４光拡散部
１５光拡散部の入射面
１６第１のシャーシ
１７第２のシャーシ
２０開口部
２１ＬＥＤ素子の出射面

Claims

互いに対向する出射面と反射面を有する導光板と、該導光板の前記反射面に配した反射シートと、少なくとも１つのＬＥＤ素子を含みそのＬＥＤ素子からの光を前記導光板の入射端面から入射するように設けられたＬＥＤ光源とを備える面発光装置において、
前記導光板は、前記ＬＥＤ光源直前の前記反射面側に、凹みを、１つのＬＥＤ素子に対し１つ有し、前記凹みの大きさは、前記導光板の幅方向に関する横幅が、対向するＬＥＤ素子の出射面の寸法以上であり、前記導光板の厚み方向に関する前記反射面からの深さが、対向するＬＥＤ素子の出射面に対向する領域にかからないことを特徴とする面発光装置。
前記凹みは、前記入射端面から奥部側へ延び、且つ前記入射端面側から見た断面形状が、側面に壁が無いような円弧又は楕円弧形状であり、しかも奥部側へ延びるにつれて浅く且つ前記出射面側から見た平面形状が円弧又は楕円弧形状になっていることを特徴とする請求項１に記載の面発光装置。
前記凹みは前記入射端面から奥部側へ延び、前記凹みの形状は、その底面が前記反射面と平行であり、前記出射面側から見た平面形状は略半円形、楕円形、多角形のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の面発光装置。
前記凹みは前記入射端面から奥部側へ延び、前記凹みの形状は、その底面が奥部側に延びるに連れて浅くなるように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の面発光装置。
前記凹みは、前記入射端面から奥部側へ延び、且つ前記入射端面側から見た断面形状が略台形状であることを特徴とする請求項１に記載の面発光装置。
前記凹みの斜面がＲ面であることを特徴とする請求項５に記載の面発光装置。
前記出射面側から見た前記凹みの平面形状の面積が、前記対向するＬＥＤ素子の出射面から出た下向きの光が当該凹みにより露出している前記反射シートに当たり得るように設定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の面発光装置。
前記ＬＥＤ光源が実装され、前記導光板の入射端面に略平行に配置される基板と、
前記導光板の上面に配置された面状発光領域のための出射開口部を有する第１のシャーシと、前記第１のシャーシと嵌合して少なくとも前記基板の背面及び前記導光板の下面を略平行に覆う第２のシャーシと、を更に含み、
前記面発光装置の側面には、前記基板を前記導光板の入射端面に沿って出し入れするための基板出し入れ部が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の面発光装置。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の面発光装置を有する液晶表示装置。