JPWO2016143152A1 - 発光素子及び映像表示装置 - Google Patents

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Abstract

発光素子（１）は、凹部（６）を備えるケース（２）と、ケース（２）の凹部（６）の底面（６ａ）に配置されたＬＥＤチップ（３ｇ）と、凹部（６）を閉蓋するとともに、ＬＥＤチップ（３ｇ）の発光を透過させる封止部材（８）を備え、封止部材（８）がケース（２）の外部の空間と接する境界面（９）は、ＬＥＤチップ（３ｇ）の光軸から離れるに従って凹部（６）の底面（６ａ）に漸近する傾斜を、少なくとも封止部材（８）の周縁部に備える。

Description

この発明は、発光素子と、発光素子を備える映像表示装置に関する。
表示画面上に多数個の発光素子を縦方向及び横方向にマトリクス状に配列した大型の映像表示装置は、スポーツ施設、建物壁等、屋外に設置されることが多い。この映像表示装置は、外部から入力されるビデオ信号に応じて、各発光素子の輝度と発光色を変化させて、表示画面上に、文字、図形及びその他の画像を表示する（例えば、特許文献１，２）。
映像表示装置に使用される発光素子は、例えばＬＥＤ（light emitting diode、発光ダイオード）のような光源をケースの凹部の底に配置して、凹部に透明樹脂を充填して構成される。光源が放射する光線は透明樹脂を透過して外部に放出される。ケースの外部空間と接する透明樹脂の境界面、つまり、発光素子の発光面はフラットに形成される（例えば、特許文献３，４）。
特開平１１−３０５６８９号公報 特開２００６−３０８７１３号公報 特開２０１２−１０９４６１号公報 特開２０１５−２６８７１号公報
発光素子が備える透明樹脂の屈折率は空気の屈折率より大きいので、光源を発した発光が透明樹脂と外部空気との境界面を通過する際には屈折が生じる。特に発光素子の光軸から離れた周縁部では、境界面への入射角が大きくなるので、屈折角も大きくなる。屈折角が大きくなると、発光素子の発光が広い範囲に拡散するので、指向特性が低下する。発光素子の指向特性が低下すると、映像表示装置の映像の画質が低下するので好ましくない。
発光素子を小型化、薄型化すると、発光素子の周縁部における入射角はさらに大きくなるので、屈折角はさらに大きくなり、指向特性はさらに低下する。また、入射角が臨界角を超えると、境界面で全反射が生じるので、光源を発した発光はケースを出ることが出来なくなる。その結果、発光素子の実質的な光量が低下するという問題も生じる。
この発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、発光素子の指向特性を向上させることを目的とする。また、境界面での全反射を抑制して発光素子の実質的な光量を増加させることを目的とする。また、映像表示装置に表示される画像の画質を改善することを目的とする。
上記目的を達成するために、この発明は、凹部を備えるケースと、ケースの凹部に配置された光源と、凹部を閉蓋するとともに、光源の発光を透過させる透明部材を備えて発光素子を構成し、少なくとも透明部材の周縁部において、透明部材がケースの外部の空間と接する境界面を、光源の光軸から離れるに従って凹部の底面に漸近するように傾斜させるものである。
この発明によれば、透明部材が外部の空間と接する境界面は、光源の光軸から離れるに従って凹部の底面に漸近する斜面を、少なくとも透明部材の周縁部に備えるので、透明部材の周縁部において、境界面に入射する発光の入射角が小さくなる。入射角が小さくなれば、屈折角も小さくなるので、発光が拡散する範囲が狭くなる。その結果、発光素子の指向特性が向上する。また、屈折角が臨界角より小さくなるように、傾斜角度を選べば、全反射が生じないので、発光素子の実質的な光量が増加する。このように、発光素子の指向特性が向上し、実質的な光量が増加するので、この発明に係る発光素子で映像表示装置を構成すれば、明るくシャープな画像が得られる。つまり、この発明によれば、映像表示装置の画質が改善される。
本発明の実施形態に係る発光素子の平面図である。 図１Ａに示した発光素子の側面図である。 図１Ａに示した発光素子を、図１ＡのＡ−Ａ’線で切断した断面図である。 図１Ａから図１Ｃに示した発光素子の作用を説明する断面図である。 本発明の実施形態に係る映像表示装置の構成図である。 図３に示した映像表示装置の使用態様を示す構成図である。 変形例に係る発光素子の構成を示す断面図である。 別の変形例に係る発光素子の構成を示す側面図である。 更に別の変形例に係る発光素子の構成を示す側面図である。
以下、この発明に係る発光素子及び映像表示装置の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面においては、同一または同等の部分に同一の符号を付している。
図１Ａから図１Ｃまでの各図はこの発明の実施形態に係る発光素子１の構成図である。図１Ａは、発光素子１の平面図であり、図１Ｂは発光素子１の側面図である。また、図１Ｃは発光素子１を図１ＡのＡ−Ａ’線で切断した断面図である。
図１Ａに示すように、発光素子１は、ケース２の内部に、発光素子１の光源として機能する３個のＬＥＤチップ３ｒ、３ｇ、３ｂを収容して構成される。ＬＥＤチップ３ｒ、３ｇ、３ｂは、それぞれ赤色、緑色、青色に発光する発光ダイオード（light emitting diode）を備える。発光素子１はＬＥＤチップ３ｒ、３ｇ、３ｂの発光強度（輝度）を変化させて、様々な発光色を得ることができる。また、ケース２の外部には、３組の引出電極４ｒ、５ｒ、４ｇ、５ｇ、４ｂ、５ｂの端部が露出している。なお、ケース２はＬＥＤチップ３ｒ、３ｇ、３ｂ等を保持して、発光素子１の外殻を構成する樹脂成形品である。ケース２の素材は、例えば、ポリフタルアミド樹脂等の熱可塑性樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂であるが、これらには限定されない。
図１Ｃに示すように、ケース２には凹部６が形成されている。凹部６には引出電極４ｇ、５ｇが配置されている。引出電極４ｇ、５ｇはケース２の外側に向かって延びていて、前述したように、その端部はケース２の外部に露出している。また、引出電極４ｒ、５ｒ、４ｂ、５ｂも同様に配置されている。
凹部６の内部に配置されたＬＥＤチップ３ｇは引出電極４ｇの上に載置されて、引出電極４ｇに電気的に接続されている。ＬＥＤチップ３ｇの上面にはボンディングワイヤ７の一方端が電気的に接続され、ボンディングワイヤ７の他方端は引出電極５ｇに電気的に接続されている。同様に、ＬＥＤチップ３ｒ、３ｂも、それぞれ引出電極４ｒ、４ｂに載置され、引出電極４ｒ、４ｂに電気的に接続されている。そして、ＬＥＤチップ３ｒ、３ｂも、それぞれボンディングワイヤ７を介して引出電極５ｒ、５ｂに電気的に接続されている。凹部６には透明な樹脂が充填され、封止部材８を形成している。封止部材８は、凹部６を閉蓋して、ＬＥＤチップ３ｒ、３ｇ、３ｂを凹部６の内部に封止する部材であって、この発明の透明部材の例示である。また、封止部材８は、ＬＥＤチップ３ｒ、３ｇ、３ｂが発する光線を透過させる部材でもある。封止部材８の素材は、例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂であるが、これらに限定される訳ではない。
封止部材８はケース２の外側に膨出していて、発光素子１の外側の空間との境界面９は凸レンズ状の凸曲面を形成している。図１Ｂに示すように、境界面９は、その中心、つまりＬＥＤチップ３ｇの光軸１０と境界面９の交点１１において凹部６の底面６ａから最も離隔していて、交点１１から遠ざかるに従って、凹部６の底面６ａに近づくように傾斜している。また、境界面９の傾斜は交点１１から遠ざかるに従って大きくなる。側面図（図１Ｂ）及び断面図（図１Ｃ）に現れる境界面９の傾斜は、凹部６との境界、つまり封止部材８の周縁部において最大になる。このように、封止部材８の境界面９は、光軸１０との交点１１から凹部６との境界に至る全範囲において、光軸１０から離れるに従って凹部６の底面６ａに漸近する斜面を備えている。
発光素子１は、以下のようなプロセスで製造される。まず、図示しない成形型の内部に、引出電極４ｒ、５ｒ、４ｇ、５ｇ、４ｂ、５ｂを配置して、該成形型に樹脂を注入して、ケース２を成形すると同時に、引出電極４ｒ、５ｒ、４ｇ、５ｇ、４ｂ、５ｂをケース２に固定する。前述したように、ケース２の素材は、例えば、ポリフタルアミド樹脂等の熱可塑性樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂である。また、光反射率を向上させるために、樹脂に二酸化チタン等の光反射粒子を混合しても良い。
ケース２が成形されたら、ケース２の凹部６の内部において、ＬＥＤチップ３ｒ、３ｇ、３ｂを引出電極４ｒ、４ｇ、４ｂに接合する。そして、ボンディングワイヤ７を介して、ＬＥＤチップ３ｒ、３ｇ、３ｂと引出電極５ｒ、５ｇ、５ｂを電気的に接続する。
最後に、凹部６に液状の透明な樹脂を注入して、封止部材８を形成する。この時、凹部６の容積を超える量の樹脂を、低速度で凹部６に注入する。樹脂を低速度で注入すると、凹部６から溢れた樹脂の液面は、表面張力の作用で凸レンズ状に盛り上がる。これをそのまま硬化させると、凸レンズ状の境界面９が形成される。なお、前述したように、封止部材８の素材は、例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂である。
次に、図２を参照して、発光素子１の作用を説明する。封止部材８の境界面９が傾斜していないと仮定すると、つまり封止部材８の境界面９が図２に示すような水平面であると仮定すると、ＬＥＤチップ３ｇから発した光線は封止部材８の周縁部に入射角ｉ０で入射して、屈折角ｒ０で出射する。実際の封止部材８の境界面９は周縁部において、凹部６の底面６ａに向かって傾斜しているので、つまり境界面９は周縁部において、図２に示すような傾斜面を備えているので、ＬＥＤチップ３ｇから発した光線は封止部材８の周縁部に入射角ｉ１で入射し、屈折角ｒ１で出射する。入射角ｉ１は入射角ｉ０より小さいので、屈折角ｒ１は屈折角ｒ０よりも小さくなる。そのため、傾斜面を通過した光線は水平面を通過した光線よりも光軸１０に対する傾きが小さくなる。このように、傾斜面を通過した光線は水平面を通過した光線よりも小さく広がるので、指向特性が高くなる。
また、入射角ｉ０が封止部材８を構成する材料の臨界角より小さくなるように、傾斜面の傾きを設定すれば、封止部材８の境界面９では全反射が生じない。つまり、傾斜面の傾きを適切に設定すれば、境界面９での全反射を防止して、発光素子１の実質的な光量を大きくすることができる。
図３はこの発明の実施形態に係る映像表示装置１２の構成図である。図３に示すように、映像表示装置１２の表示画面１３は基板１４の上に多数の発光素子１を縦方向及び横方向にマトリクス状に配列して構成される。すなわち、多数の発光素子１を水平方向に配列して、発光素子列１５を形成し、多数の発光素子列１５を垂直方向に配列している。また、基板１４には図示されない配線パターンが形成されていて、各発光素子１の引出電極４ｒ、５ｒ、４ｇ、５ｇ、４ｂ、５ｂ（図３において図示せず）は、それぞれ、該配線パターンに接続される。
また、映像表示装置１２は、ドライバ１６を備える。ドライバ１６は前述した配線パターンを介して各発光素子１に接続され、電源から供給される電力を多数の発光素子１に分配して、発光素子１の輝度と発色を個々に調整する電気回路である。
映像表示装置１２は、図４に示すように、上位コントローラ１７を介してビデオ信号源１８に接続されて使用される。ビデオ信号源１８は、例えば、事前に保存されたビデオ信号を上位コントローラ１７に出力するサーバである。上位コントローラ１７はビデオ信号源１８から入力されたビデオ信号を、映像表示装置１２における発光素子１の配列に合わせて変換し、個々の発光素子１の輝度と発色を決定して、ドライバ１６に出力するコンピュータである。
このように、映像表示装置１２は、基板１４上に多数配置された発光素子１の輝度と発色を個々に調整して、表示画面１３上に画像を表示する。そして、該画像を時間の経過に従って変化させて、動画像（映像）を表示する。映像表示装置１２の表示画面１３は、小型の映像表示装置、例えば液晶ディスプレイのスクリーンに相当し、１個の発光素子１は１画素に相当する。
なお、前述したように、発光素子１は指向特性が改善されるとともに、全反射が防止され、実質的な光量が増大しているので、映像表示装置１２では、シャープで明るい画像が得られる。つまり、映像表示装置１２に発光素子１を備えることによって、映像表示装置１２の画質が改善される。
以上、説明したように、この発明によれば、発光素子の光源から発せられる光線の透明部材の境界面への入射角が小さくされて、その結果、屈折角が小さくされるので、発光素子の指向特性が改善される。また、入射角を臨界角より小さくすることによって、全反射を防止して発光素子の実質的な光量を大きくすることができる。このように発光素子の指向特性と実質的な光量が改善されるので、この発明に係る発光素子で映像表示装置を構成すれば、映像表示装置の画質が改善される。
なお、上記実施形態はこの発明の具体的な実施態様の例示であって、この発明の技術的範囲は、上記実施形態の記載によっては限定されない。この発明は、請求の範囲に示された技術的思想の範囲において、自由に変形あるいは改良して実施することが出来る。また、上記実施形態において開示されていない構成要素の追加は任意である。
例えば、上記実施形態においては、液状の樹脂をケース２の凹部６に注入充填して、その後硬化させた封止部材８を透明部材とする例を示したが、透明部材は、かかるプロセスで製造されるものには限定されない。例えば、図５に示すように、別の工程で製造された、つまり、既に固体化された封止部材８を凹部６に嵌め込むようにしても良い。
また、上記実施形態においては、封止部材８の境界面９を凸レンズ状に形成することを例示した。言い替えれば、光軸１０から離れるに従って凹部６の底面６ａに漸近する斜面が封止部材８の境界面９の全範囲に形成されていて、しかも光軸１０から離れるに従って底面６ａに向かう傾斜が大きくなるよう形成された例を示した。しかしながら、境界面９の形状は、このようなものには限定されない。
境界面９の傾斜は、光軸１０からの距離に関係なく一定であっても良い。例えば、図６に示すように、封止部材８の境界面９が円錐面をなすようにしても良い。
また、斜面は境界面９の内、入射角が大きくなる部位に形成されていれば足りる。斜面は光軸１０から離れた部位、つまり境界面９の周縁部に形成されていれば足りる。光軸１０から離れていない部位は、境界面９をフラットにしていても、入射角が小さいので大きな屈折は生じないからである。例えば、図７に示すように、封止部材８の境界面９が円錐台形をなすようにしても良い。
発光素子１が備えるＬＥＤチップ３ｒ、３ｇ、３ｂの数は３個には限定されない。１個あるいは２個であっても良いし、４個以上であっても良い。また、発光素子１の発光色は限定されない。発光色の組合せは任意である。１個の基板に発色の異なる複数個の発光ダイオードを備えたチップを光源として備えても良い。
上記実施形態においては、上位コントローラ１７を映像表示装置１２の外部装置としたが、上位コントローラ１７が映像表示装置１２の内部に組み込まれていても良い。
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。つまり、本発明の範囲は、実施形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。
本出願は、２０１５年３月１２日に出願された、日本国特許出願特願２０１５−０４８９５４号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１５−０４８９５４号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
１ 発光素子、２ ケース、３ｒ，３ｇ，３ｂ ＬＥＤチップ、４ｒ，４ｇ，４ｂ，５ｒ，５ｇ，５ｂ 引出電極、６ 凹部、６ａ 底面、７ ボンディングワイヤ、８ 封止部材、９ 境界面、１０ 光軸、１１ 交点、１２ 映像表示装置、１３ 表示画面、１４ 基板、１５ 発光素子列、１６ ドライバ、１７ 上位コントローラ、１８ ビデオ信号源
上記目的を達成するために、この発明は、凹部を備えるケースと、ケースの凹部に配置された光源と、凹部を閉蓋するとともに、光源の発光を透過させる透明部材を備えて発光素子を構成し、少なくとも透明部材の周縁部において、透明部材がケースの外部の空間と接する境界面を、光源の光軸から離れるに従って凹部の底面に漸近するように傾斜させ、
透明部材の境界面は、その全面において、光源から入射する光線の境界面に対する入射角が透明部材を構成する材料の臨界角より小さくなるような傾斜を備えるものである。

Claims (5)

  1. 凹部を備えるケースと、
    前記ケースの前記凹部に配置された光源と、
    前記凹部を閉蓋するとともに、前記光源の発光を透過させる透明部材を備え、
    前記透明部材が前記ケースの外部の空間と接する境界面は、前記光源の光軸から離れるに従って前記凹部の底面に漸近する傾斜を、少なくとも前記透明部材の周縁部に備える
    発光素子。
  2. 前記境界面は凸レンズ状に形成されている
    請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記境界面は円錐状に形成されている
    請求項１に記載の発光素子。
  4. 前記境界面は円錐台状に形成されている
    請求項１に記載の発光素子。
  5. 縦方向及び横方向にマトリクス状に配列された、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の複数個の発光素子を備える映像表示装置。
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