JP6448999B2 - 反射部材および当該反射部材を有する面光源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、反射部材および当該反射部材を有する面光源装置に関する。
液晶表示装置などの透過型画像表示装置では、バックライトとして直下型の面光源装置を使用することがある。近年、光源として複数の発光素子を有する、直下型の面光源装置が使用されるようになってきている(例えば、特許文献1参照)。
図1は、特許文献1に記載の面光源装置10の平面図である。図1に示されるように、特許文献1に記載の面光源装置10は、複数のLED(発光素子)12と、前記複数のLED12が配置された複数のLED基板14と、複数のLEDに対応した位置に形成された複数の開口部を有し、LED基板14上に配置された反射シート16と、これらを収容するバックライトシャーシ18とを有する。反射シート16の縁部は、底板に対して斜めに立ち上がっている。特許文献1に記載の面光源装置10は、LED12から出射され反射シート16に到達した光を反射させることにより、反射シート16の周縁部にLED12を配置しなくても被照射領域の周辺部分を照らすことができる。しかしながら、特許文献1に記載の面光源装置10では、LED12の直上部(被照明領域の中央部分)は明るいが、被照明領域の四隅の明るさが十分でないという問題があった。
このような問題を解決するために、LEDや拡散レンズを配置する方向を調整する技術が開示されている(例えば、特許文献2参照)。特許文献2には、複数のLED(発光素子)と、LEDから出射された光の配光を制御する複数の拡散レンズと、前記複数のLEDおよび前記複数の拡散レンズが配置された複数のLED基板と、複数のLEDおよび複数の拡散レンズに対応した位置に形成された複数の開口部を有し、LED基板上に配置された反射シートと、拡散レンズに対して空気層を介して配置された拡散板および光学シートと、これらを収容するバックライトシャーシと、を有する面光源装置が記載されている。外側に配置された複数のLEDおよび複数の拡散レンズは、LEDの光軸および拡散レンズの出射面の中心軸が、拡散板および光学シートの外縁部に向くように形成されている。特許文献2に記載の面光源装置は、中央に配置されたLEDの光軸および拡散レンズの出射面の中心軸を被照明領域の中心部(直上部)に向けて配置するとともに、外側に配置されたLEDの光軸および拡散レンズの出射面の中心軸を被照明領域の外縁部に向けて配置することで、被照明領域を均一に照らすことができる。
国際公開第2010/146921号 特開2013−143240号公報
しかしながら、特許文献2に記載の面光源装置は、LEDおよび拡散レンズの形状がそれぞれ同一でなく、部品の種類が多いため、製造コストが高くなってしまうとともに、製造工程が煩雑になってしまうという問題があった。
そこで、本発明の目的は、一種類の発光素子および一種類の光束制御部材を有する面光源装置であっても、被照明領域を均一に照らすように光を反射させることができる反射部材および当該反射部材を有する面光源装置を提供することである。
本発明の反射部材は、矩形の底面と、前記底面の四辺に接続され、前記底面から立ち上がるように、前記底面に対してそれぞれ傾斜した4つの斜面と、隣接する2つの前記斜面を繋ぐようにそれぞれ配置された4つの平面状のコーナー部斜面と、を有する。
また、本発明の面光源装置は、本発明に係る反射部材と、前記反射部材の前記底面を含む平面より上に配置された1または2以上の発光素子と、前記1または2以上の発光素子の上にそれぞれ配置され、前記発光素子から出射した光の配光をそれぞれ制御する1または2以上の光束制御部材と、前記光束制御部材に対して空気層を介して配置され、前記光束制御部材から出射された光を拡散させつつ透過させる光拡散部材と、を有する。
本発明によれば、一種類の発光素子および一種類の光束制御部材が同一方向に向けて配置されている面光源装置においても、被照明領域を均一に照らすことができる。したがって、被照明領域を均一に照らすことができる面光源装置を低コストで製造できる。
図1は、特許文献1に記載の面光源装置の平面図である。 図2A、Bは、本発明の一実施の形態に係る面光源装置の構成を示す図である。 図3A〜Cは、本発明の一実施の形態に係る面光源装置の構成を示す端面図である。 図4A〜Cは、反射部材の構成を示す図である。 図5A、Bは、反射部材の部分拡大端面図である。 図6は、二面角を説明するための図である。 図7は、反射部材の展開図である。 図8は、比較例に係る反射部材の斜視図である。 図9A〜Dは、比較例に係る反射部材の角部における光路図である。 図10A〜Cは、比較例に係る反射部材を用いた場合の斜面での光の反射位置および光反射部材への光の到達位置を示した図である。 図11A〜Dは、本実施の形態に係る反射部材の角部における光路図である。 図12A〜Cは、本実施の形態に係る反射部材を用いた場合の斜面での光の反射位置および光反射部材への光の到達位置を示した図である。 図13A、Bは、面光源装置における輝度分布のシミュレーション結果である。
以下、本発明の実施の形態に係る面光源装置について、図面を参照して詳細に説明する。
(面光源装置の構成)
図2〜図3は、本発明の一実施の形態に係る面光源装置100の構成を示す図である。図2Aは、面光源装置100の平面図であり、図2Bは、正面図である。図3Aは、図2Bに示されるA−A線の端面図であり、図3Bは、図2Aに示されるB−B線の端面図であり、図3Cは、図3Bの拡大図である。
図2A、Bおよび図3A〜Cに示されるように、本実施の形態に係る面光源装置100は、筐体110と、基板120と、反射部材130と、発光素子152および光束制御部材154を含む1または2以上の発光装置150と、光拡散部材160とを有する。基板120は、筐体110の底板の上に配置されており、反射部材130は、基板120の上に配置されている。また、反射部材130の発光装置150に対応する領域には、複数の貫通孔139が形成されており、複数の発光装置150は、基板120の上に一定の間隔で配置されている。筐体110の天板には、開口部が設けられている。光拡散部材160は、この開口部を塞ぐように、複数の発光装置150上に基板120と略平行に配置されており、発光面として機能する。発光面の大きさは、特に限定されないが、例えば約400mm×約700mmである。
1または2以上の発光装置150は、基板120上に固定されている。本実施の形態では、複数の発光装置150が基板上120に配置されている。発光装置150は、発光素子152および光束制御部材154を有している。発光素子152および光束制御部材154は、貫通孔139を介して基板120にそれぞれ固定されている。
発光素子152は、面光源装置100の光源である。発光素子152は、例えば白色発光ダイオードなどの発光ダイオード(LED)である。複数の発光素子152は、いずれも同じ形状に形成されている。発光素子152は、反射部材130の底面132(図4A参照)を含む底面より上に位置するように、基板120上に配置されている。
光束制御部材154は、発光素子152から出射された光の配光を拡げるレンズである。光束制御部材154の形状は、発光素子152から出射された光を拡げることができれば、特に限定されない。光束制御部材154は、その中心軸が発光素子152の光軸に一致するように、発光素子152の上に配置されている。本実施の形態では、発光素子152の光軸および光束制御部材154の中心軸は、いずれも基板120に対して垂直である。ここで「発光素子の光軸」とは、発光素子152からの立体的な出射光束の中心の光線を意味する。発光装置150の光軸は、発光素子152の光軸および光束制御部材154の中心軸と一致する。基板120と光束制御部材154との間には、発光素子152から発せられる熱を外部に逃がすための隙間が形成されている。なお、複数の光束制御部材154は、いずれも同じ形状に形成されている。
光束制御部材154は、一体成形により形成されている。光束制御部材154の材料は、所望の波長の光を通過させ得る材料であれば特に限定されない。たとえば、光束制御部材154の材料は、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)やポリカーボネート(PC)、エポキシ樹脂(EP)などの光透過性樹脂、またはガラスである。
反射部材130は、発光装置150(光束制御部材154)から出射された光の一部であって、到達した光を光拡散部材160に向かって反射させる。反射部材130の材料は、発光素子152から出射された光を反射することができれば特に限定されない。反射部材130の材料の例には、発砲PET、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ABSなどが含まれる。本実施の形態では、反射部材130の平面視形状は、筐体110の底板と同じ矩形である。反射部材130は、前述の材料からなる連続した1枚のシート部材で構成されていてもよいし、前述の材料からなる複数枚のシート状部材で構成されていてもよい。反射部材130の形状については、別途詳細に説明する。
光拡散部材160は、光拡散性を有する板状の部材であり、発光装置150からの出射光を拡散させつつ透過させる。通常、光拡散部材160の大きさは、液晶パネルなどの被照射部材の大きさとほぼ同じである。たとえば、光拡散部材160は、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)、スチレン・メチルメタクリレート共重合樹脂(MS)などの光透過性樹脂により形成される。光拡散性を付与するため、光拡散部材160の表面に微細な凹凸が形成されているか、または光拡散部材160の内部にビーズなどの光拡散子が分散している。
発光素子152から出射された光は、光束制御部材154により径方向(光軸から遠ざかる方向)に拡げられる。発光装置150から出射された光は、直接または反射部材130で反射して光拡散部材160に到達する。光拡散部材160に到達した光は、光拡散部材160を拡散しつつ透過する。その結果、光拡散部材160(被照射領域)を均一に照らせることができる。
(反射部材の構成)
図4および図5は、反射部材130の構成を示す図である。図4Aは、反射部材130の斜視図であり、図4Bは、平面図であり、図4Cは、正面図である。図5Aは、図4Bに示されるA−A線の部分拡大端面図であり、図5Bは、図4Bに示されるB−B線の部分拡大端面図である。また、図6は、二面角を説明するための図である。
図4A〜Cおよび図5A、Bに示されるように、反射部材130は、底面132と、4つの斜面134と、4つのコーナー部斜面136と、4つの接着面138とを有する。底面132は、基板120上に配置される。底面132の平面視形状は、矩形(長方形)である。また、底面132には、複数の貫通孔139が形成されている。複数の貫通孔139は、発光装置150が配置される位置に対応した位置に形成されている。貫通孔139の数は、発光装置150の数と同じである。反射部材130の底面132に貫通孔139が形成されていることにより、発光装置150は、反射部材130の底面132を含む平面上に位置しながらも基板120に固定されうる。貫通孔139の大きさ(直径)は、発光装置150を基板120に直接固定することができれば特に限定されない。本実施の形態では、貫通孔139の大きさ(直径)は、発光装置150の平面視形状より大きく形成されている。
4つの斜面134は、それぞれ、発光装置150から筐体110の内側面に向かって出射した光の一部を光拡散部材160の縁部に向かって反射させる。4つの斜面134は、底面132の四辺にそれぞれ接続されている。4つの斜面134は、平面状であってもよいし、曲面状であってもよい。本実施の形態では、4つの斜面134は、いずれも平面状である。また、4つの斜面134は、底面130から立ち上がるように、底面132に対してそれぞれ傾斜している。底面132と斜面134との二面角は、特に限定されない。底面132と斜面134との二面角は、いずれも同じ角度であってもよいし、それぞれ異なる角度であっていてもよい。本実施の形態では、底面132と斜面134との二面角は、いずれも同じ角度である。底面132と斜面134との二面角は、本実施の形態においては15°以下である。底面132と斜面134との二面角が所定の範囲内にない場合、斜面134で反射した光が光拡散部材160の縁部に到達しないおそれがある。
ここで、二面角について説明する。図6に示されるように、平面Aおよび平面Bが隣接している場合の「二面角」とは、平面Aおよび平面Bに垂直な平面を平面Cとし、平面Aおよび平面Cの交線を交線LAとし、平面Bおよび平面Cの交線を交線LBとした場合、交線LAおよび交線LBがなす2つの角度のうち小さい方の角度θを意味する。平面Aを底面132、平面Bを斜面134と想定した場合、交線LAおよび交線LBは、有限直線である。端部で接している2本の有限直線がなす2つの角度は、一方が180°以上であり、他方が180°未満である。したがって、前述したように、「二面角」とは、0°超であって、180°未満となる。
斜面134の説明に戻る。前述したように、反射部材130の平面視形状は、筐体110の底板と同じ形状である。すなわち、斜面134は、面光源装置100を平面視したときに、底面132の四辺と筐体110の内側面との間の領域(後述のコーナー部斜面136に対応する領域を除く)を埋めるように配置されている4つの斜面134の平面視形状は、特に限定されない。本実施の形態では、4つの斜面134のうち、底面132の長辺方向に沿って対向した2つの斜面134の形状はそれぞれ同じ形状であり、底面132の短辺方向に沿って対向した2つの斜面134の形状はそれぞれ同じ形状である。具体的には、底面132の長辺方向に沿って対向した2つの斜面134の形状は、長辺の長さが底面132の短辺の長さと同じ長さの長方形である。また、底面132の短辺方向に沿って対向した2つの斜面134の形状は、長辺の長さが底面132の長辺の長さと同じ長さの長方形である。本実施の形態においては、底面132の長辺方向に沿って対向した2つの斜面134の短辺と、底面132の短辺方向に対向した2つの斜面134の短辺とは同じ長さである。
4つのコーナー部斜面136は、それぞれ、平面状に形成され、発光素子152から筐体110の四隅(2つの内側面により形成される角部)に向かって出射した光の一部を光拡散部材160の角部に向かって反射させる。4つのコーナー部斜面136は、隣接する2つの斜面134を繋ぐようにそれぞれ配置されている。また、4つのコーナー部斜面136は、底面132に対してそれぞれ傾斜している。底面132とコーナー部斜面136との二面角は、特に限定されない。底面132とコーナー部斜面136との二面角は、いずれも同じ角度であってもよいし、それぞれ異なる角度であっていてもよい。本実施の形態では、底面132とコーナー部斜面136との二面角は、いずれも同じ角度である。底面132とコーナー部斜面136との二面角は、本実施の形態においては15°程度である。底面132と斜面134との二面角が上述した範囲内にない場合、コーナー部斜面136で反射した光が光拡散部材160の角部に到達しないおそれがある。底面132およびコーナー部斜面136の二面角と、底面132および斜面134の二面角との大きさの関係は、特に限定されない。底面132およびコーナー部斜面136の二面角が底面132および斜面134の二面角より大きくてもよいし、底面132および斜面134の二面角が底面132およびコーナー部斜面136の二面角より大きくてもよい。本実施の形態では、底面132およびコーナー部斜面136の二面角は、底面132および斜面134の二面角より大きい。なお、底面132およびコーナー部斜面136の二面角は、底面132および斜面134の二面角などに応じて変化する。
また、コーナー部斜面136は、平面視したときに、隣接する2つの斜面134と、当該隣接する2つの斜面134の外側の辺のそれぞれの延長線とで囲まれた領域(隣接する2つの斜面134と筐体110の内側面とで囲まれた領域)を埋めるように配置されている。コーナー部斜面136の外形は、特に限定されないが本実施の形態では、菱形である。また、面光源装置100を側面視したときに、底面132とコーナー部斜面136の上端部との間の距離は、底面132と斜面134の上端部との間の距離より長い。すなわち、コーナー部斜面136の上端部は、斜面134の上端部より光拡散部材160側に位置している。
4つの接着面138は、それぞれ斜面134およびコーナー部斜面136の上端部に接続されている。接着面138は、筐体110の内側面に反射部材130を貼り付ける時に使用される。接着面138の形状は、特に限定されない。接着面138の形状は、4つの斜面134および4つのコーナー部斜面136の形状に応じて適宜設定される。筐体110内に反射部材130を配置したときに、接着面138の上端部は、筐体110の内側面の上端部と同じ位置であることが好ましい。接着面138の上端部が、筐体110の内側面の上端部と同じ位置であれば、発光装置150から出射された光を効率よく光拡散部材160に向けて反射することができる。
(反射部材の製造方法)
反射部材130の製造方法は、前述した形状を実現することができれば特に限定されない。反射部材130は、例えば以下の方法によって製造することができる。図7は、反射部材130の展開図である。まず、前述した材料を用いて厚さ0.1〜0.3mm程度の加工しやすいシート状部材を作成する。次いで、図7の実線に沿ってシート状部材を切り抜くとともに、所定の位置に複数の貫通孔139を形成する。切り抜いたシート状部材を図7に示される破線に沿って折り曲げる(全て山折りまたは全て谷折り)。最後に反射部材130に固定する。反射部材130に固定する方法は、特に限定されない。例えば、熱融着により固定してもよい。また、反射部材130に固定するときに使用する糊代を展開図に設けてもよい。この場合、シート状部材の糊代を含む部分を含むように切り抜く。そして、糊代に接着剤を塗布して、切り抜いたシート状部材を反射部材130の形状に固定する。また、このように加工したシートによる反射部材130に代えて、反射性材料によって成形された反射部材を用いてもよい。
(シミュレーション)
角部に配置された発光素子152の発光面の中心から出射され、本実施の形態に係る反射部材130の角部に向かって進行する光の光路についてシミュレーションした。また、比較のため、角部に配置された発光素子152から出射され、コーナー部斜面136を有さない比較例の反射部材130’の角部に向かって進行する光の光路についてもシミュレーションした。本シミュレーションでは、反射部材130、130’を平面視したときに、発光面の中心が反射部材130の2つの縁部から中心に向かってそれぞれ100mm、底面132の2つの縁部から中心に向かってそれぞれ30mm、反射部材130の底面から光拡散部材160に向かって0.55mmの位置となるように発光素子152を配置した。また、底面132、132’と平行に出射される光の角度を90°とし、底面132、132’と垂直に出射される光の角度と0°とした。さらに、底面132から光拡散部材160の裏面までの距離を19mmとした。
図8は、比較例の反射部材130’の斜視図である。図9は、発光素子152から出射され、比較例の反射部材130’の角部に照射される光の光路を示した図である。図9Aは、出射角度が90°の光(底面132’と平行に出射された光)の光路を示した図であり、図9Bは、出射角度が86°の光の光路を示した図であり、図9Cは、出射角度が82°の光の光路を示した図であり、図9Dは、出射角度が80°の光の光路を示した図である。図10は、比較例に係る反射部材130’を用いた場合の斜面での反射位置および光拡散部材160への到達位置を示した図である。図10Aは、出射角度が90°の光について示しており、図10Bは、出射角度が86°の光について示しており、図10Cは、出射角度が82°の光について示している。図11は、発光素子152から出射され、本実施の形態に係る反射部材130の角部に照射される光の光路を示した図である。図11Aは、出射角度が90°の光の光路を示した図であり、図11Bは、出射角度が86°の光の光路を示した図であり、図11Cは、出射角度が82°の光の光路を示した図であり、図11Dは、出射角度が80°の光の光路を示した図である。図12は、本実施の形態に係る反射部材130を用いた場合の斜面での反射位置および光拡散部材160への到達位置を示した図である。図12Aは、出射角度が90°の光について示しており、図12Bは、出射角度が86°の光について示しており、図12Cは、出射角度が82°の光について示している。なお、図9A〜Dおよび図11A〜Dにおける破線は、発光素子152から出射された光が到達する領域を示している。また、図10A〜Cおよび図12A〜Cの黒丸のシンボルは、反射部材130、130’に到達した位置を示しており、白抜きのシンボルは、光拡散部材160に到達した位置を示している。
図9A〜Dおよび図10A〜Cに示されるように、比較例の反射部材130’では、光拡散部材160の角部に対応する反射部材130の角部には、あまり光が到達していないことがわかった。一方、図11A〜Dおよび図12A〜Cに示されるように、本実施の形態に係る反射部材130では、比較例の反射部材130’と比較して、光拡散部材160の角部に対応する反射部材130の角部に多くの光が到達していることがわかった。また、反射部材130の角部で反射した光の大部分は、光拡散部材160の角部に到達することがわかった。
(面光源装置の輝度分布のシミュレーション)
本実施の形態に係る反射部材130を用いた面光源装置100の輝度分布をシミュレーションした。なお、比較のため、コーナー部斜面を有さない比較例の反射部材130’(図8参照)を用いた面光源装置の輝度分布もシミュレーションした。
図13は、面光源装置における輝度分布のシミュレーション結果である。図13Aは、比較例に係る反射部材130’を用いた面光源装置における輝度分布のシミュレーション結果であり、図13Bは、実施の形態に係る反射部材130を用いた面光源装置における輝度分布のシミュレーション結果である。図13A、Bの左図における縦軸(d2)および横軸(d1)は、光拡散部材160(被照射領域)の中心からの距離(mm)をそれぞれ示している。また、右図における縦軸は、輝度比率(%)を示している。
図13Aに示されるように、コーナー部斜面136を有さない比較例に係る反射部材130’を用いた面光源装置では、被照射領域の角部では、あまり発光素子152から出射された光が到達しておらず、暗部が生じていることがわかった。一方、図13Bに示されるように、コーナー部斜面136を有する実施の形態に係る反射部材130を用いた面光源装置100では、比較例に係る面光源装置と比較して、被照射領域の角部まで発光素子152から出射された光が到達しており、被照射領域の全体が均一に照射されていることがわかった。
(効果)
以上のように、本実施の形態に係る反射部材130を有する面光源装置100は、コーナー部斜面136を有するため、発光素子152から出射された光の一部は、コーナー部斜面136で反射して、光拡散部材160の角部に到達する。一方、発光素子130から出射された光の他の一部は、発光素子152の光拡散部材160の中央部分に直接到達する。さらに、発光素子152から出射された光の他の一部は、斜面134で反射して、光拡散部材160の周辺部に到達する。したがって、本実施の形態に係る面光源装置100は、光拡散部材160(被照射領域)を均一に照らすことができる。
また、本実施の形態に係る面光源装置100では、複数の発光素子152および複数の光速制御部材154が同じ形状であるため、容易でかつ低コストで製造できる。
なお、面光源装置100において、反射部材130の上に基板120が配置されていてもよい。この場合、基板120は、反射部材130をできる限り露出するように形成されることが好ましい。たとえば、細長く切り出された基板120の上に、複数の発光装置150が一列に配列されていてもよい。このように細長い基板120を使用することで、基板120間において反射部材130の底面を露出させることができる。
本発明の面光源装置は、例えば、液晶表示装置のバックライトや面照明装置などに有用である。
10 面光源装置
12 LED
14 LED基板
16 反射シート
100 面光源装置
110 筐体
120 基板
130、130’ 反射部材
132、132’ 底面
134 斜面
136 コーナー部斜面
138 接着面
139 貫通孔
150 発光装置
152 発光素子
154 光束制御部材
160 光拡散部材

Claims (4)

  1. 矩形の底面と、
    前記底面の四辺に接続され、前記底面から立ち上がるように、前記底面に対してそれぞれ傾斜した4つの斜面と、
    隣接する2つの前記斜面を繋ぐようにそれぞれ配置された4つの平面状のコーナー部斜面と、
    を有
    前記4つの斜面は、いずれも平面状に形成されており、
    前記底面と前記コーナー部斜面との二面角は、前記底面と前記斜面との二面角より大きい、
    反射部材。
  2. 平面視したときに、前記コーナー部斜面は、隣接する2つの前記斜面と、当該隣接する2つの斜面の外側の辺のそれぞれの延長線とで囲まれた領域を埋めるように配置されている、請求項1に記載の反射部材。
  3. 連続した1枚のシート状部材から構成されている、請求項1または請求項2に記載の反射部材。
  4. 請求項1〜のいずれか一項に記載の反射部材と、
    前記反射部材の前記底面を含む平面より上に配置された1または2以上の発光素子と、
    前記1または2以上の発光素子の上にそれぞれ配置され、前記発光素子から出射した光の配光をそれぞれ制御する1または2以上の光束制御部材と、
    前記光束制御部材に対して空気層を介して配置され、前記光束制御部材から出射された光を拡散させつつ透過させる光拡散部材と、
    を有する、面光源装置。
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