WO2016098792A1

WO2016098792A1 - 面状光源

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Publication number: WO2016098792A1
Application number: PCT/JP2015/085143
Authority: WO
Inventors: 勝俣敏伸; 宮下純司
Original assignee: シチズン電子株式会社; シチズンホールディングス株式会社
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2016-06-23
Also published as: JPWO2016098792A1; JP6650884B2

Abstract

側面の１辺を入射端面とし、上面を出射面とする矩形状の導光板を備えた面状光源においては、出射面に色々な原因によって低輝度領域が発生し、この低輝度領域を隠すために、表示装置の見切り枠の開口部面積を大きくすることが出来なかった。この課題を解決するために、上面を出射面（１０ｂ）とする矩形状の導光板（１０）と、この導光板（１０）の一側面である入射端面（１０ａ）に対向して配置される発光素子（１１ａ）とを備え、少なくとも前記導光板（１０）の入射端面（１０ａ）と直交する左右の両側面（１０ｃ）と前記出射面（１０ｂ）との境界に面取り部（１０ｅ）が設けられている。

Description

面状光源

　本発明は、側面から入射した光が上面から出射するタイプの導光板を有する面状光源に関する。

　ＬＥＤは長寿命で優れた駆動特性を有し、また小型で発光効率が良く、鮮やかな発光色を有することから、近年ではカラー表示装置のバックライトや照明等に広く利用されるようになってきた。

　特に最近では、ノートパソコンや液晶テレビ用のバックライトとして、側面から入射した光が上面から出射するタイプの導光板を有する面状光源が多く使用されている。ところがこのタイプの面状光源は部分的に低輝度領域が発生しやすい。そこで輝度を均一に保つようにして明るく見易くするための提案がなされている（特許文献１）。

　（従来技術における面状光源の構成の説明）
　図１６及び図１７には特許文献１に記載された従来技術の面状光源が示されている。なお、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、図面を一部簡略化し、また符号も本願に揃えて変更している。図１６は従来の面状光源の平面図、図１７は図１６に示す導光板１３０のコーナ部Ｓの部分拡大斜視図である。

　図１６において、面状光源１００は、矩形状の導光板１３０と、その端面に配設されたライン光源１１０とを有する。導光板１３０は、側面に入射端面１３１と側端面１３２（側面）を有し、上面が出射面１３３となっている。導光板１３０の入射端面１３１に沿ってライン光源１１０が配設されている。なお、ライン光源１１０は発光管であり、その両端に設けられたソケット１１０ｂが非発光部になっている。導光板１３０やライン光源１１０を収納する枠体１７０は、面状光源１００の上部の一部を覆う見切り枠（図示せず）を備え、面状光源１００の有効発光部Ｆを画定する。

　図１７に示すように、前記ライン光源１１０のソケット１１０ｂに対応するコーナ部Ｓでは、コーナ部端面１３６が曲面形状に形成され、その表面が粗面化されている。また、コーナ部端面１３６に隣接する側端面１３５は前記入射端面１３１と直交しており、その一部が前記コーナ部端面１３６と同様に粗面化されている。さらに、前記導光板１３０の出射面１３３も粗面化され、図１６に示したように、粗面化領域１３３Ａと粗面化領域１３３Ｂとに分かれている。コーナ部端面１３６から導光板１３０の中央部に向かって斜め方向に延びる粗面化領域１３３Ａ（図中点線で図示している）は、粗面化領域１３３Ｂより大きな平均傾斜角を有する。

　（従来技術における面状光源の作用の説明）
　従来の面状光源１００では、仮にコーナ部端面１３６及び粗面化領域１３３Ａがないものとした場合、ライン光源１１０の両端のソケット１１０ｂが発光しないため、導光板１３０の出射面１３３のコーナ部Ｓに、導光板１３０の中央部に向かって斜め方向に延びる低輝度領域が発生する。

　これを解消するため図１７に示したように、面状光源１００では、コーナ部端面１３６を曲面形状に形成して粗面化するとともに、導光板１３０の出射面１３３において粗面化領域１３３Ｂより大きな平均傾斜角を有する粗面化領域１３３Ａを設け、導光板１３０の低輝度領域の発生を防止している。その結果、全体的に明るく輝度むらのない面状光源１００が得られる。

特開２００６－１３４５９４号公報(図２、図３)

　上記特許文献１に記載された面状光源１００では、コーナ部端面１３６及び粗面化領域１３３Ａを設けてあるので、ライン光源として両端にソケットを備えた発光管を使用した場合でも、導光板のコーナ部Ｓから中央部に向かって斜め方向に延びる低輝度領域の発生を抑えることができる。

　また、ライン光源として多数のＬＥＤを導光板の入射端面に沿って配設した場合には、発光管のソケットのような非発光部分がないので低輝度領域が発生しない。

　しかしながら、導光板の低輝度領域は他の理由によっても発生することが知られている。例えば、タブレットやスマートフォンのような電子機器においては、可能な限り表示領域を大きくすることが要求されているため、表示装置の見切り枠を細くして面状光源の略全面を使用範囲とするとともに、導光板の隅々まで輝度の均一性が要求される。

　上記のような見切り枠を細くした場合について本願の発明者らは、矩形状の導光板と複数のＬＥＤからなるライン光源とを備えた面状光源について、その出射面における輝度むらを調べた。その結果、導光板の入射端面を除く他の側面、特に入射端面と直交する左右の側面に沿ってライン状の低輝度領域が発生することがわかった。

　そこで本発明の目的は、導光板の出射面に発生する低輝度領域を改善し、全体的に明るく輝度むらのない面状光源を提供することである。

　上記目的を達成するため本発明の面状光源は、上面を出射面とする矩形状の導光板と、この導光板の一側面に対向して配置される発光素子とを備え、少なくとも前記導光板の一側面と直交する左右の両側面と前記出射面との境界に面取り部が設けられている。

　また、本発明の一実施例において、前記面取り部は前記境界の全域に設けられ、且つ全域において、曲率が一定の円弧面又は傾斜角度が一定の斜面からなる。

　本発明の面状光源によれば、導光板の入射端面と直交する左右の両側面と導光板の出射面との境界に面取り部を設けたので、この面取り部によって前記境界部分での全反射による出射光の減少を改善することができる。その結果、前記導光板の境界に面取り部を設けない場合に発生していた低輝度領域を抑えることができ、全体的に明るく輝度むらのない面状光源が得られた。

　また、本発明の面状光源によれば、導光板の境界部分に低輝度領域が発生しないので、その分見切り枠を細くして表示領域を拡張することができた。

本発明の第１実施形態に係る面状光源の構成を示す斜視図である。面状光源の導光板とライン光源を示す斜視図である。図２の平面図である。図２の正面図である。ケーシングに収納された面状光源の断面図である。第１実施形態に係る導光板の面取り部付近の出射光の軌跡を示す図５のＶ部拡大図である。従来の導光板の角部周辺の出射光の軌跡を示す図６と同様の拡大図である。（ａ）は図６で示した導光板の出射面の輝度分布を示す平面図、（ｂ）は導光板の正面図である。（ａ）は図７で示した従来の導光板の出射面の輝度分布を示す平面図、（ｂ）は導光板の正面図である。ケーシングの見切り枠と導光板の面取り部との位置関係を示す図５と同様の断面図である。導光板の面取り部付近の出射光の軌跡を示す図１０のＸ部拡大図である。従来の導光板の角部周辺の出射光の軌跡を示す図１１と同様の拡大図である。本発明の第２実施形態における面状光源の導光板とライン光源を示す平面図である。図１３の正面図である。第２実施形態に係る導光板の面取り部付近の出射光の軌跡を示す拡大図である。従来の面状光源の一例を示す平面図である。図１６のＳ部拡大斜視図である。

　以下図面に基づいて本発明に係る面状光源の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
　図１乃至図１３には本発明の第１実施形態における面状光源１が示されている。図１において、面状光源１は、反射シート２と、この反射シート２の上に配置される導光板１０と、導光板１０の上に順に配置される拡散シート３、プリズムシート４、偏光シート５とを備えており、導光板１０の上下にこれらのシートが積層されている。なお、これらのシート類は必要に応じて増減可能である。

　図２及び図３に示したように、前記導光板１０は矩形状の平板からなり、長辺側の一側面である入射端面１０ａに沿って複数のＬＥＤ１１ａが一列に配置されている。複数のＬＥＤ１１ａは、それぞれの出射面が入射端面１０ａと向かい合うように配置され、一直線状のライン光源１１を形成している。また、導光板１０の上面全体が矩形状の出射面１０ｂとなっている。さらに、導光板１０の入射端面１０ａに直交する左右の両側面１０ｃと前記出射面１０ｂとの境界及び前記入射端面１０ａと対向する側の一側面１０ｄと前記出射面１０ｂとの境界にはそれぞれ面取り部１０ｅが設けられている。

　前記面取り部１０ｅは前記各境界の全域に設けられ、図３に示したように、導光板１０の入射端面１０ａを除く左右の両側面１０ｃ及び一側面１０ｄに連続して設けられている。また、この面取り部１０ｅは、図４に示したように、全域に亘って曲率が一定の円弧面からなる。円弧面の曲率の大きさは、導光板１０の大きさや厚み、ＬＥＤ１１ａの配置や数、発光強度や発光色、その他の要素などによって適宜設計される。

　図５には前記導光板１０をケーシング７に組み込んだ面状光源１が示されている。ケーシング７は、前記反射シート２を介して導光板１０が載置される底部７ａと、導光板１０の外周を囲う側壁部７ｂと、側壁部７ｂの上端に設けられる見切り枠７ｃとを備えて箱状に形成されている。前記見切り枠７ｃは、前記導光板１０の出射面１０ｂの周囲を縁取るように側壁部７ｂの上端から内側に向けて水平に設けられており、その先端が出射面１０ｂの周囲に沿って設けられた面取り部１０ｅの付近まで延びている。また、前記見切り枠７ｃの下方では側壁部７ｂと導光板１０との間にフレーム状の反射性部材６が配設されている。なお、図５では導光板１０の上面に配置される拡散シート３、プリズムシート４、偏光シート５（図１参照）が省略されている。

　図６には前記導光板１０の面取り部１０ｅ付近から出射する出射光の軌跡が示されている。なお、図７は従来の矩形状の導光板２３０において、図６と対応する部分の出射光の軌跡を参考例として示したものである。この導光板２３０には本願発明のような面取り部１０ｅが形成されておらず、出射面２３０ｂの側端と側面２３０ｃの上端とが合わさる角部２３０ｅは直角になっている。

　出射光の軌跡について、先ず図７の参考例から説明する。ライン光源１１（図２等参照）の各ＬＥＤ１１ａ（図２等参照）から出射した光線のうち、出射面２３０ｂの端部の角部２３０ｅから離れた位置に達した光線Ｐ１は、導光板２３０と空気との屈折率の差に基づいて屈折し、出射面２３０ｂから上方に出射する。しかし、角部２３０ｅの近傍の出射面２３０ｂに達した光線Ｐ２は、出射面２３０ｂへの入射角が全反射角（臨界角）より大きくなるため全反射する。さらに光線Ｐ２は導光板２３０の側面２３０ｃで反射して導光板２３０の下面側へ進行する。この結果、破線で囲まれた出射域ＫＳ２での出射光が少なくなるため、出射域ＫＳ２に低輝度領域が発生することになる。

　これに対して図６に示した導光板１０では、ライン光源１１（図２等参照）の各ＬＥＤ１１ａ（図２等参照）から出射した光線のうち、出射面１０ｂの端部の面取り部１０ｅから離れた位置に達した光線Ｐ１は、図７で示した場合と同様、導光板１０と空気との屈折率の差に基づいて屈折し、出射面１０ｂから上方に出射する。一方、面取り部１０ｅに達した光線Ｐ２は、全反射することなく面取り部１０ｅの円弧面に応じた角度で屈折して導光板１０の出射面１０ｂの上方へ放射される。この結果、破線で囲まれた出射域ＫＳ１での出射光が増加するため、出射域ＫＳ１には低輝度領域が発生しない。

　図８には導光板１０の出射面１０ｂにおける輝度分布が示されており、また図９には参考例として挙げた導光板２３０の出射面２３０ｂにおける輝度分布が示されている。

　先ず図９に示された導光板２３０について説明すると、この導光板２３０には図９（ｂ）に示したように、出射面２３０ｂの端部に直角の角部２３０ｅが形成されていることから、図９（ａ）に示したように、出射面２３０ｂの中央の主要部分を高輝度領域Ｄ１が占めるものの、出射面２３０ｂの周囲には低輝度領域Ｄ２が現われる。すなわち、この低輝度領域Ｄ２は、導光板２３０の入射端面２３０ａと直交する両側面２３０ｃ及び入射端面２３０ａと対向する一側面２３０ｄと前記出射面２３０ｂとの境界である角部２３０ｅ付近に発生する。

　これに対して図８に示された本発明の導光板１０では、図８（ｂ）に示したように、出射面１０ｂの端部に円弧状の面取り部１０ｅが形成されていることから、面取り部１０ｅの付近では低輝度領域が発生せず、図８（ａ）に示したように、面取り部１０ｅを含む出射面１０ｂの全体が高輝度領域Ｄ１となる。

　図１０にはケーシング７に組み込まれた導光板１０の見切り枠７ｃの幅員について、図７で示した参考例との比較が示されている。本発明の面状光源１における見切り枠７ｃ１の幅員Ｌ１に対して、参考例における見切り枠７ｃ２の幅員Ｌ２は破線部分が長くなっている。

　図１１及び図１２は、図１０において一点鎖線で囲んだＸ部の拡大図であり、図１１には本発明が示され、図１２には参考例が示されている。先ず図１２の参考例について説明する。参考例における見切り枠７ｃ２は、図７及び図９で説明したように、導光板２３０の端部の角部２３０ｅ付近に発生する低輝度領域Ｄ２を隠すための長めの幅員Ｌ２が必要となる。この幅員Ｌ２は導光板２３０の端部の角部２３０ｅ覆うと共に角部２３０ｅの近傍の出射面２３０ｂに達した光線Ｐ２の上方を覆う長さである。

　これに対して図１１に示された面状光源１では図６及び図８で説明したように、導光板１０の端部の面取り部１０ｅには低輝度領域Ｄ２が発生しないため、見切り枠７ｃ１で面取り部１０ｅを覆う必要がない。そのため、見切り枠７ｃ１の幅員は導光板１０の側面１０ｃ（１０ｄ）の位置まであれば足りることになり、その分導光板１０の出射面１０ｂは見切り枠７ｃ１で囲われた開口、すなわち有効表示面積を大きくとることができる。

　（第２実施形態）
　図１３乃至図１５には本発明の第２実施形態に係る面状光源が示されている。この実施形態に係る面状光源１’は、導光板２０の入射端面２０ａと直交する左右両側面２０ｃと導光板２０の上面である出射面２０ｂとの境界、及び入射端面２０ａと対向する一側面２０ｄと前記出射面２０ｂとの境界にそれぞれ形成される面取り部２０ｅが斜面形状である点を除いて、その他の構成は第１実施形態に係る導光板１０と同様の構成からなるので、同一の符号を付すことによって詳細な説明は省略する。

　この実施形態に係る面取り部２０ｅは、約４５°の傾斜角度を有する斜面によって形成されており、この傾斜角度は境界の全域に亘って一定であり、また斜面全体が平滑な面となっている。なお、前記斜面の傾斜角度及び面取りの大きさの程度は設計事項の範囲である。

　図１５には本実施形態の面状光源１’において、前記導光板２０の面取り部２０ｅ付近における出射光の軌跡が示されている。この面状光源１’では、ライン光源１１（図１３及び図１４参照）の各ＬＥＤ１１ａから出射した光線のうち、出射面２０ｂ端部の面取り部２０ｅから離れた位置に達した光線Ｐ１は、前述の実施形態と同様、導光板２０と空気との屈折率の差に基づいて屈折し、出射面２０ｂから上方に出射する。一方、面取り部２０ｅに達した光線Ｐ２は、全反射することなく面取り部２０ｅの斜面からそのまま導光板２０の出射面２０ｂの上方へと放射される。この結果、破線で囲まれる出射域ＫＳ３での出射光が増加するため、出射域ＫＳ３には低輝度領域が発生しない。

　以上説明したように、本発明に係る面状光源は、導光板の出射面となる上面と、導光板の入射端面を除く側面との境界に面取り部を設けたので、境界部分での全反射による出射光の減少が改善できた。その結果、前記導光板の境界に面取り部を設けない場合に発生していた低輝度領域をなくすることができ、全体的に明るくなり輝度むらのない面状光源が得られるようになった。また、見切り枠の幅員が細くなり表示装置の開口を大きくとることができる。

　なお、上記実施形態では矩形状の導光板の入射端面を除く他の側面と出射面との境界に面取り部を設けた場合について説明したが、少なくとも導光板の入射端面に直交する両側面と出射面との境界に面取り部を設けた構成であっても良い。これは低輝度領域が導光板の入射端面に対して幅方向の端部に発生し易いので、これを改善することで幅方向の見切り枠を細くすることができ、幅方向の表示領域を拡張できるためである。

　また、上記の実施形態では導光板の入射端面に直交する左右の両側部面と出射面との境界の全域、及び前記導光板の入射端面に対向する一側面と出射面との境界の全域に面取り部を設けた場合について説明したが、全域でなくとも特に低輝度領域が発生し易い境界の一部にのみ面取り部を設けた構成であってもよい。

　また、導光板の面取り部の形状として上記の実施形態のような円弧面又は斜面に限定されないことは勿論である。さらに、上記の実施形態では境界の全域に亘って曲率が一定の円弧面又は傾斜角度が一定の斜面によって面取り部を形成した場合について説明したが、境界に沿って円弧面の曲率や斜面の傾斜角度を漸次変化させてもよい。これは導光板の左右両端部に伝搬してくる光線の分布状態が場所によって異なるので、それに対応して面取り部の形状も漸次変化させるものである。この場合、ライン光源と向かい合う入射端面と近距離にある導光板の左右両端部に集まる光線はほとんどがライン光源のＬＥＤから直接に伝搬してきたものなので、低輝度領域を改善するための面取り部の形状をシミュレーション等で最適化しやすい。これに対し、入射端面から離れた導光板の左右両端部に集まるほとんどの光線は反射を繰り返し伝搬方向が一定でないものばかりになるので、面取り部の形状の最適化が困難になる。そこで実用的には、入射端面に近い導光板の左右両端部で最適化された円弧面の曲率又は斜面の傾斜角度を基準として、入射端面から離れた導光板の左右両端部に向かって実験的に求められた円弧面の曲率又は斜面の傾斜角度に漸次変化させるように形成するのが望ましい。

　また、上記の実施形態では面取り部が四半円の円弧面又は４５度の傾斜角度からなる斜面で形成されている場合について説明したが、導光板の側面より出射面の方がなだらかな曲面となる円弧面又はなだらかな傾斜角度となる斜面で形成することも可能である。

　また、上記の実施形態では導光板の入射端面に沿って配列した複数のＬＥＤによってライン光源を構成した。この構成により導光板の入射端面の左右両端部までＬＥＤを配置することができるので、導光板の入射端面に対する入射光が均一となり、より明るく輝度むらのない面状光源となる。なお、光源は複数のＬＥＤを配列させたライン光源に限られない。例えば、有機ＥＬで構成した光源や細長い導光体の端部にＬＥＤを配置し、端部から入射した光を導光体の側面から出射させて光源としたものでも良い。

　１，１’，１００　面状光源
　２　反射シート
　３　拡散シート
　４　プリズムシート
　５　偏光シート
　６　反射性部材
　７　ケーシング
　７ａ　底部
　７ｂ　側壁部
　７ｃ，７ｃ１，７ｃ２　見切り枠
　１０，２０，１３０，２３０　導光板
　１０ａ，２０ａ，１３１　入射端面
　１０ｂ，２０ｂ，１３３，２３０ｂ　出射面
　１０ｃ，２０ｃ　両側面
　１０ｄ，２０ｄ　一側面
　１０ｅ，２０ｅ　面取り部
　１１，１１０　ライン光源
　１１ａ　ＬＥＤ（発光素子）
　１１０ｂ　ソケット
　１３２，１３３　側端面
　１３３Ａ，１３３Ｂ　粗面化領域
　１３６　コーナ部端面
　１７０　枠体
　２３０ｃ　側面
　Ｄ１　高輝度領域
　Ｄ２　低輝度領域
　Ｆ　有効発光部
　ＫＳ１，ＫＳ２，ＫＳ３　出射域
　Ｐ１，Ｐ２　光線
　Ｓ　コーナ部

Claims

　上面を出射面とする矩形状の導光板と、この導光板の一側面に対向して配置される発光素子とを備え、少なくとも前記導光板の一側面と直交する左右の両側面と前記出射面との境界に面取り部が設けられている面状光源。
　前記面取り部が前記境界の全域に設けられている請求項１に記載の面状光源。
　前記面取り部が前記境界の全域において、曲率が一定の円弧面又は傾斜角度が一定の斜面からなる請求項２に記載の面状光源。
　前記面取り部が前記境界の全域において、曲率が漸次変化していく円弧面又は傾斜角度が漸次変化していく斜面からなる請求項２に記載の面状光源。
　前記面取り部は、出射面側の面取り部分が側面側の面取り部分より大きい請求項１乃至４のいずれかに記載の面状光源。
　前記導光板の一側面に対向して配置される発光素子は、導光板の一側面に沿って配列された複数の発光ダイオードである請求項１に記載の面状光源。