JP5587174B2 - 織物発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、織物（テキスタイル）基板上に配置される光導体及び発光素子を有する発光装置に係る。本発明はまた、かかる発光装置を製造する方法、及び光子療法において使用される発光装置に係る。

近年、電子機器の一体化（統合）によって受動的な織物をインテリジェント且つ相互作用的なシステムへと変えるよう、多くの試みがなされてきている。例えば、発光ダイオード等である発光素子を織物に与え、織物をディスプレイ装置を一体にされた織物へと変えるようにする、という試みがなされている。

ディスプレイ装置一体化織物（ｔｅｘｔｉｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅｓ）に関しては、多くの可能な適用がある。かかるディスプレイ装置一体化織物の一例は、日本国特許第２００４−３０８０５０号（特許文献１）において記載されており、該文献は、所定のパターンにおいて発光ダイオードを取り付けられた衣類を記載している。

しかしながら、発光ダイオードは点源放射体であるため、特定の間隔をおいて発光ダイオードを取り付けられた織物は、魅力的な外観を備えない。更には、光線療法用途に対する着用可能な織物製品等である多くの適用に対して、発された光が織物範囲にわたって実質的に均一に分布されることは、重要であり得る。

故に、装置の可撓性及び織物の感触に影響を与えることなく、光がより大きな範囲部分から発され得る織物ベースの発光装置に対する技術は、必要とされる。

日本国特許第２００４−３０８０５０号

本発明は、装置の可撓性及び織物の感触に影響を与えることなく、光がより大きな範囲部分から発され得る織物ベースの発光装置に対する技術を与える、ことを目的とする。

第１の態様において、本発明は、織物基板上に配置される光導体及び発光素子を有する発光装置に係る。該光導体は、織物基板に対面する後方表面、織物基板からみて外方を向く前方表面、及び受光表面を有する。発光素子は、該発光素子によって発される光の少なくとも一部が受光表面を通って光導体へと結合されるよう配置され、また光導体における全内部反射を受けるよう配置される。光導体は、該光導体へと結合される光の少なくとも一部が前方表面及び後方表面の少なくとも一方を通って光導体を出るよう配置される。

光導体を発光素子と併せて配置することによって、発される光は、光導体内において分布され、発光素子の範囲より大きな範囲から光導体を出る。故に、織物基板のより大きな部分は、発光素子のより高密度なパターンを使用する必要なく照明され得る。更には、光を拡散させるためのこのソリューションは、大変薄い。

本発明において使用される光導体は、織物基板の平面において二次元拡張を備え得るため、発光素子からの光は、光ファイバ等である基本的に一次元の光導体とは対照的に、織物基板範囲のより大きな範囲にわたって分布される。

本発明の実施例において、織物基板は、反射性材料を有し得る。

後方表面を通って抽出される光導体における光は、反射性材料によって部分的に反射及び散乱される。これは、光導体に向かって反射し戻され且つ前方表面を通って光導体を出る拡散光の束（ｄｉｆｆｕｓｅ ｌｉｇｈｔ ｂｕｎｄｌｅ）をもたらす。

本発明の実施例において、光導体は、透過性接着材料を用いて織物基板に対して接着され得る。

かかる接着材料は、光導体を織物基板に対して物理的に固定し、光が光導体の後方表面を通って光導体を出るようにする。

望ましくは、接着材料の屈折率は、周囲の外気の屈折率より高く、光導体材料の屈折率より低い。

接着材料は典型的に、周囲の外気（しばしば、１程度の屈折率（ａ ｒｅｆｌａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ 〜１）を備える空気である）より高い屈折率を備える。結果として光は、より望ましくは、前方表面からよりも光導体の後方表面から抽出される。これは、光のより高い部分（ａ ｈｉｇｈｅｒ ｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ）が織物において反射及び散乱されるため、反射性織物、又は光導体と織物との間において配置される反射性材料と併せて特に有利である。更には、接着材料の屈折率は望ましくは、光導体の屈折率より低く、光導体の端部に向かって全内部反射を用いる放射線輸送、及び更に優れた光の散乱を確実なものとする。

本発明の実施例において、光導体は、可撓性材料を有し得る。

光導体は、可撓性材料を有するとき、装置の可撓性に実質的に影響を及ぼすことなく織物基板に対して取り付けられ得る。

本発明の実施例において、発光素子は、光導体の受光表面に対して光学的に接着され得る。

発光素子が受光表面に対して光学的に接着されるとき、発光素子によって発される光のより高い部分が、光導体へと結合され、故に光導体からの光出力を増大させる。

本発明の実施例において、発光素子は、光導体内に組み込まれ得る。

発光素子は、光導体に組み込まれるとき、機械的な影響から保護される。更にこれは、光導体の受光表面が光導体内において位置決めされる、ことも意味する。

本発明の実施例において、反射性材料は、光導体と織物基板との間において配置され得る。

反射性材料は、光導体と織物基板との間において配置され得、光導体の前方表面に向かって後方表面を通って抽出される光の反射を増大させるようにする。これは、装置の観察者に対して可視である光の量を増大させるよう使用され得る。

本発明の実施例において、光導体の厚さは、受光表面からの距離と共に低減される。

テイパ形状又はウェッジ形状を有する光導体は、表面上における入射角が光導体における反射の回数と共に増大するため、光導体の前方及び後方表面を通る光の漸次的抽出をもたらす。故に、この形状は、光の所望される分布及び抽出を得るよう大変単純な形状である。

本発明の実施例において、光導体は、光導体における全内部反射を受けて、後方表面及び前方表面の少なくとも一方を介して光導体から光を抽出するための光抽出構造を有する。

また、テイパ形状又はウェッジ形状の光導体以外の他の光導体形状を本発明において使用することは可能である。

第２の態様において、本発明はまた、本発明に従った発光装置の製造に対する方法に係る。当該方法は、織物基板上に発光素子及び光導体を配置する段階、及び光導体の側部を所定の形状においてカットする段階、を有する。

第３の態様において、本発明は、光子療法における本発明の発光装置の使用に係る。

本発明のこれらの及び他の態様はこれより、本発明の現在望ましいとされる実施例を図示する添付の図面を参照して、詳述される。

本発明に従った発光装置の第１の実施例の詳細を断面図で示す。 本発明に従った発光装置の第２の実施例の詳細を断面図で示す。

本発明は、織物基板上に配置される光導体及び発光素子を有する発光装置に係る。該光導体は、織物基板に対面する後方表面、織物基板からみて外方を向く前方表面、及び受光表面を備える。発光素子は、受光表面によって発される光の少なくとも一部が受光面を通って光導体へと結合されるよう配置され、光導体における全内部反射を受ける。光導体は、光導体へと結合される光の少なくとも一部が光導体の前方表面及び後方表面の少なくとも一方を通って光導体を出得るよう、配置される。

本願で使用される通り、発光素子という用語は、当業者には既知であるいずれの種類の発光素子もさし、例えば無機ＬＥＤ及び有機ＥＬＤ等である発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する。ＵＶ乃至ＩＲのいかなる色の光でも発する発光素子は、本発明において意図される。

発光素子は、例えば織物基板上、織物基板の下方、又は織物基板内に配置される、典型的には織物基板に一体にされた、電気的導電線に対して接続され、それによって駆動される。

図１は、本発明に従った発光装置の第１の実施例を示す。該発光素子は、いずれも織物基板１０２上に配置される発光ダイオード１００及び光導体１０１を有する。

光導体１０１は、透明な材料を有し、テイパされたプレートの形状を備える。光導体１０１は、織物基板１０２に対面する後方表面１０３、及び織物基板１０２からみて外方を向く前方表面１０４を備える。光導体１０１は更に、テイパされたプレートのより厚い端部において受光表面１０５を備える。故に、光導体１０１の厚さ（前方表面１０４と後方表面１０３との間における垂直方向距離）は、受光表面１０５からの距離と共に低減する。

光導体１０１は、接着剤等である透過性接着材料１０６を用いて織物基板１０２に対して接着される。透過性接着剤１０６は、光学的及び物理的に、織物基板１０２に対して光導体１０１を接続する。

光導体１０１に対して、発光ダイオード１００は、受光表面１０５を介して光導体へと光を発するよう配置される。

織物基板１０２は反射性であり、織物基板へと落下する光は、織物基板を作るファイバによって、あるいは織物基板において存在する反射及び／又は散乱粒子等である反射要素によって、反射される。織物基板１０２は、例えば織られた織物、不織織物、又は編まれた織物、あるいはそれらの混合物であり得る。織物は、天然繊維又は合成繊維、あるいはそれらの混合物を有し得る。反射性であるよう、織物は望ましくは、白色又は淡色である。

光導体１０１は、織物基板１０２に対面する基本的に平坦な後方表面１０３、及び織物基板１０２からみて外方を向く対向する前方表面１０４を備える、（先端を切り取られた（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ））ウェッジの形状を備える。光導体１０１の後方表面１０３及び前方表面１０４は、側面（ｌａｔｅｒａｌ ｓｕｒｆａｃｅｓ）によって接続され、該側面の１つは、受光表面１０５としての役割を有する。受光表面１０５は、ウェッジ形状の光導体１０１の最も厚い側部にある。故に、光導体１０１の厚さは、受光表面１０５からの距離と共に低減する。

受光表面１０５の幅及び高さは夫々、少なくとも発光ダイオード１００の幅及び高さであることが望ましく、受光表面１０５によって受けられる発光ダイオード１００によって発される光の量は、可能な限り大きくされる。

光導体１０１は、織物基板１０２の平面において二次元拡張を備えることが望ましく、発光ダイオード１００からの光は、二次元表面積にわたって分布される。

光導体１０１へと結合される光は、その方向に依存して、前方表面１０４及び後方表面１０３の一方に衝突する。第１の衝突において、光が全内部反射に対する臨界角を越える入射角を備える場合、光は、前方表面１０４及び後方表面１０３の他方に向かって内方向に反射される。前方表面１０４と後方表面１０３との間の角度により、入射角は、全内部反射に対する臨界角を最終的に下回るまで、内部反射の回数と共に徐々に低減する。この時点において、光は、光導体１０１から抽出される。この光の漸次的抽出は、光導体１０１内において光を分布する役割を果たし、光は、光導体１０１全体から実質的に均一に抽出される。

しかしながら、かかる入射角の漸次的低減後に光導体を出る光の角度分布は、抽出表面（前方表面１０４等）の法線から離れてシフトされる。故に、この光は、表面の法線から多少大きな角度においてその平均構成要素（ｍｅａｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を備える。多くの場合において、平均構成要素が基板表面の法線に対してより近い光抽出を得ることは望ましい。故に、反射性である織物基板１０２を使用することが望まれる。

後方表面１０３を介して光導体１０１から抽出される光は、織物基板１０２へと抽出される。本実施例における織物基板１０２が白色の反射性繊維等である反射性材料を有するとき、光は、散乱され、光導体１０１に向かって反射し戻され、前方表面１０４に対面する光導体１０１の観察者に向かって前方方向で出される。反射性織物材料の散乱作用により、この光は、大変拡散される。

光導体１０１は、ガラス、セラミック、ポリメチルメタクリラート（ＰＭＭＡ）等であるプラスチック、又はポリシロキサン（例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン））等であるエラストマ（ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃｓ）等の光学的に透明な材料を有する。エラストマ光導体材料としての使用に適切であるＰＤＭＳ材料の一例は、メチル基がフェニル基によって置換され屈折率の増大に繋がるＰＤＭＳである。

エラストマ光導体は、高い可撓性を備える光導体を与える場合に所望され得る。

光導体１０１の後方表面１０３及び前方表面１０４は、平らであり得るか、構造化され得、構造化された表面（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）は、より高い光の拡散度を与え得る。

図１中の実施例において、光導体１０１は、透明な接着剤等である透過性接着材料１０６を用いて織物基板１０２に対して接着される。望ましくは、接着材料１０６は、基本的に１より高い屈折率を備える。望ましくは、接着材料１０６は更に、光導体材料の屈折率を基本的に下回る屈折率を備える。かかる接着材料を有して、全内部反射は、光導体１０１内において得られ得、光導体１０１へと結合される光の少なくとも一部は、接着材料１０６及び光導体１０１の接触面上の全内部反射によって、光導体１０１の端部に向かって運ばれる。これは、光導体１０１における光の更に優れた拡散に寄与する。かかる接着材料１０６の更なる効果は、全内部反射に対する臨界角が、光導体１０１と空気との間における接触面におけるよりも光導体１０１と接着材料１０６との間における接触面において高い、ということである（光導体材料と空気との屈折率間の差異と比較して、光導体材料と接着材料との屈折率間の差異が存在するが更に小さいことによる）。故に、光は、前方表面１０４を介するよりも後方表面１０３を介してより容易に光導体１０１から抽出される。故に、より大部分が反射性織物基板１０２へと抽出され、その後、拡散により、装置の光導体側を観察するユーザに向かって反射し戻される。

更に、接着材料１０６は、光導体１０１を織物基板１０２に対して物理的に固定する役割を有する。

適切な接着材料の例は、当業者には既知であり、ＰＤＭＳ等であるシロキサンベースの接着材料、及びエポキシベースの接着材料等が含まれる。光導体材料は可撓性材料であり、可撓性の接着材料が望ましい。

図２において、本発明に従った発光装置の第２の実施例が示される。反射材料２０８は、光導体２０１と織物基板２０２との間において配置され、反射表面は、光導体２０１の後方表面２０３に対面する。この配置は例えば、織物基板２０２が弱い反射特性を備えるときに（例えば黒色の織物材料）、使用され得る。反射材料は、上述された通り透過性接着材料を用いて光導体２０１の後方表面２０３に対して接着され、反射性材料は更に、接着材料を用いて織物基板２０２に対して接着され得る。反射性材料２０８は、潤滑であるかあるいは構造化された反射表面を有し、構造化された反射表面は、より高い光の拡散度をもたらす。望ましくは、反射性材料２０８は、光導体２０１に対面する構造化された反射表面を備える。

図２はまた、本発明において使用され得る光導体の他の実施例を示す。図１中の光導体１０１及び図２中の光導体２０１は、置き換えられ得る。

光導体２０１は、前方表面２０４において配置される小さな溝２０９を有する基本的に平らなプレートである。溝２０９は、光導体２０１における光伝搬を妨害する光抽出構造であり、光は光導体２０１から抽出される。
本発明は、上述において提案される光導体に対する２つの構造に制限されない。代わりに、後方表面及び前方表面の両方を通って光が抽出される多くの構造は、本発明の使用において意図される。例えば、前方表面２０４における溝２０９の代わりに、あるいはそれに加えて、後方表面２０３において溝を有する図２中の光導体２０１の変形も、正常に機能する。光抽出構造はまた、光導体２０１へとモールドされた反射表面の形状でもあり得る。

不織層又は発泡体（フォーム）等である拡散層はまた、前方表面又は後方表面のいずれかあるいはそれら両方である光導体の光出射表面（ｌｉｇｈｔ ｅｘｉｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）において与えられ得る。発光装置が複数の発光素子及び光導体を有するとき、光導体は望ましくは、光導体グリッドに接触し且つそれを形成するよう配置され、拡散層は、連続層として適用される。グリッドの開口は望ましくは、拡散層が発光装置による光の放射を均一に見せることができるよう選択される寸法を備える。例えば、光導体グリッドにおける開口は、１０ｍｍより小さく、望ましくは５ｍｍより小さい辺を有する四角形である。

図１及び２中に示される実施例において、発光ダイオード１００及び２００は、夫々受光表面１０５及び２０５に対して近接して位置決めされ、夫々光導体１０１及び２０１の受光表面１０５及び２０５に向かって光を発するよう配置される。

発光素子は更に、例えば発光素子と受光表面との間において光学的に透過性の接着剤を使用することによって、光導体の受光表面に対して物理的及び光学的に接着され得る。図１に示される通り、エラストマカプセル被包（ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ）等である透明なカプセル被包１０７内に発光ダイオード１００及び光導体１０１を組み込み、発光ダイオード１００を光導体１０１に対してしっかりと取り付けるよう、またそれらを機械的衝撃から保護するようにする、ことも可能である。更に他の代案において、発光素子は、例えば発光素子を光導体材料へとモールドすることによって、光導体内に埋め込まれ得る。これは、受光表面が光導体内に位置するという結果を有する。

インモールドされた発光素子の一例は、ウェッジ形光導体の厚い端部へとモールドされ、ウェッジ形光導体の薄い端部に向かって光を発するよう配置されるＬＥＤを有するフェニル置換ＰＤＭＳを有するウェッジ形光導体である。かかる組立体は、置換ＰＤＭＳの屈折率より低い屈折率を備える非置換ＰＤＭＳを有して事前加工された織物基板等である織物上においてエンボス加工され得る。

発光素子が光導体に対して光学的に接着されるとき、大変大きな角度伝搬を有する光は、光導体へと結合され得る。光のより大きな部分を光導体における全内部反射下におくよう、光は、平行にされる必要があり得る。故に、本発明に従った発光装置はまた、発光素子によって発される光の少なくとも一部を光導体へと結合される前あるいはその後のいずれかで平行にするよう、コリメータを有し得る。更には、本発明に従った発光装置はまた、発光素子によって発される光の少なくとも一部を収集するコレクタ、及び／又は、発光素子によって発される光の少なくとも一部を光導体の受光表面又は織物基板の反射表面等である対象物上へと投射するプロジェクタを有し得る。

本発明に従った発光装置に関し、発光素子、コリメータ、コレクタ、プロジェクタ、及び光導体は、別個の構成要素として、あるいは１つ又はそれより多くの一体にされた構成要素として、与えられ得る。例えば、コレクタは、発光素子とパッケージにおいて一体にされ得る。同様に、かかるパッケージは、光導体内に埋め込まれ得る。

発光素子及び光導体を織物基板上に配置する前あるいはその後、光導体は、所望の形状へとカットされ得る。例えば、光導体は、例えば四角形である特定の形状において大量生産され得、その後所望の形状へとカットされる。カットは、例えばレーザカッティングを用いて達成され得る。望ましい実施例において、光導体は、織物基板を光導体に配置した後にその場（in situ）形成され得る。

図１及び２に示される形状に加えて、本発明の目的に対して、光導体はまた、発光素子を包含する形状を備え得る。例えば、光導体は、織物基板上に配置される光導体リングであり得、発光素子は、光の少なくとも一部を光導体リングへと放射することができるよう、リングの中心において位置付けられる（この状況においては光導体は円筒形の受光表面を備える、ことが留意される）。望ましくは、光導体リングは、約１ミリメートル又はそれを下回る厚さ及び１０ミリメートル又はそれを下回る直径を備え、発光装置は、特に着用可能な衣類であるときに、折り畳まれて包まれ得る。当然のことながら、より大きな装置に対しては、より適切な寸法が選択され得る。

発光素子及び光導体を有する組立体は、例えば上述された通り光導体の後方表面と基板との間における接着材料によって、あるいは、基板の導電線に対して発光素子を半田付け又はクランプすること等により取り付けることによって、基板に対して取り付けられ得る。

本発明における使用に対して適切である光導体の寸法は、例えば織物基板の種類及び用途に依存する。しかしながら、典型的な場合において、光導体の長さ及び幅は、約１ミリメートル乃至約１０センチメートル等である数ミリメートル乃至数センチメートルのオーダにあり、光導体の高さは、約０．１ミリメートル乃至約１センチメートルである。

ウェッジ形状の光導体に対して、前方表面と後方表面との間における角度は、典型的には約１度乃至約１０度の範囲にある。

当業者は、本発明が上述された望ましい実施例にいかようにも制限されない、ことを理解する。対照的に、多くの修正及び変形は、添付の請求項の範囲内において可能である。例えば、２つ、３つ、又はそれより多い１つより多くの発光素子は、単一の光導体へと光を発するよう配置され得る。例えば、並列に配置される３つのＬＥＤ（１つの赤色、１つの緑色、及び１つの青色等）のアレイは、色可変のＬＥＤ光導体組立体を形成するよう、１つの光導体へと光を発するよう配置され得る。２つのＬＥＤは、一組のＬＥＤの各側部上に１つの光導体を有して逆並列に配置され得る。更には、２つの光導体は、例えば２つの対向する方向において光を発する所謂「バットウイング」ＬＥＤからの光であるような、単一のＬＥＤからの光を受けるよう配置され得る。
本発明の発光装置は、織物基板からの光放射を得るよう所望されるいかなる適用においても使用され得る。かかる適用の例に制限的ではなく含まれるのは、家具装飾品等である動的照明、カーテン、カーペット、バッグ又はバックパック等である一体にされたディスプレイを有するアクセサリ及び着用可能な衣類、例えば座瘡治療、創傷治療、鎮痛、乳幼児黄疸等に対する着用可能な衣類である光子療法に対する織物製品などである。例えば、光子療法を必要とする人間又は人間ではない動物である患者は、患者の皮膚に対面する光導体を有する本発明の発光装置を収容する衣類を着用し得る。作動中、装置の発光素子が光を発するとき、患者は、光子療法を受ける。

Claims (8)

1. 織物基板上に配置される複数の光導体と複数の発光素子とを有する発光装置であって、
   前記織物基板は反射性材料を有し、あるいは各光導体と前記織物基板との間に反射性材料が配置され、
   各光導体は、前記織物基板に対面する後方表面と、前記織物基板からみて外方を向く前方表面と、受光表面と、を有し、
   前記発光素子は、前記織物基板に一体にされた電気導電線に接続され、それによって駆動され、
   各発光素子は、該発光素子によって発される光の少なくとも一部が前記受光表面を通って前記複数の光導体のうちの１つへと結合され且つ該光導体内で全内部反射を受けるよう配置され、
   各光導体は、該光導体へと結合される前記光の少なくとも一部が前記後方表面を通って該光導体を出るよう、周囲の外気の屈折率より高く且つ前記光導体の材料の屈折率より低い屈折率を有する透過性接着材料によって、前記織物基板に接着される、
   発光装置。
2. 前記光導体は、前記織物基板の平面において二次元拡張を有する、
   請求項１記載の発光装置。
3. 前記光導体は、可撓性材料を有する、
   請求項１又は２記載の発光装置。
4. 前記発光素子は、前記受光表面に対して光学的に接着される、
   請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の発光装置。
5. 前記発光素子は、前記光導体に組み込まれる、
   請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の発光装置。
6. 前記光導体の厚さは、前記受光表面からの距離と共に減少する、
   請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の発光装置。
7. 前記光導体は、前記光導体内で全内部反射を受ける光を前記後方表面及び前記前方表面のうち少なくとも一方を介して前記光導体から抽出するための光抽出構造を有する、
   請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の発光装置。
8. 光子療法において使用される、
   請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の発光装置。

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