JP2005079038A - 発光ダイオードを用いたバックライト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱による導光板の劣化を抑え、かつ導光板への光の入射効率が良く、さらに色ムラおよび輝度ムラを抑える発光ダイオードを用いたバックライト装置を提供する。
【解決手段】 対向する発光面３ａおよび反射面３ｂを有し、かつこれらの面を相互に接続する端面３ｃからなる導光板３と、前記導光板３の発光面３ａおよび反射面３ｂに配設された光学シート４と、前記導光板３の端面３ｃ近傍に配列された複数個の発光チップ７と、前記発光チップ７を封止し、ほぼ平面状の光出射面を有する透明樹脂９と、前記透明樹脂９を囲み、かつ前記透明樹脂９の光出射面より前記導光板３の端面方向に延出した筒状部を有している。外囲器の筒状部は前記導光板３の端面３ｃに接触、または近接している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、テレビ、パーソナルコンピュータ、およびカーナビゲーションシステム等の液晶表示に使用するバックライト装置に関する。

近年、テレビやパーソナルコンピュータ、カーナビゲーションシステム等の液晶表示には種々のバックライト装置が使用されている。

従来のバックライト装置は、冷陰極蛍光管を用いたバックライトユニットが主流であった。これに対し、この種のバックライトユニットより消費電力が少なく、寿命は長い発光ダイオードを用いたバックライトユニットが開発されている。（たとえば、特許文献１参照。）。

従来のバックライト装置を図６を参照して説明する。図６は従来のバックライト装置の部分拡大断面図である。バックライト装置は導光ユニット１０１と発光ダイオード１０２で構成されている。導光ユニット１０１は、発光面、反射面および端面を有する導光板１０３とさまざまな光学シート１０４からなる。発光ダイオード１０２は、基板１０５上にリードフレーム１０６が形成され、その上に発光チップ１０７が設けられている。さらに、基板１０５上には外囲器１０８が設けられ、外囲器１０８には発光チップ１０７が収まるような貫通孔１０８ａが形成されている。その貫通孔１０８ａに透明樹脂１０９を充填している。

このような従来のバックライト装置においては、発光ダイオード１０２の出射光を導光板１０３の端面に入射させ、導光ユニット１０１の発光面を発光させるというものである。
特開２００２−２１７４５９号公報（第３−４頁、図１）

発光ダイオード１０２を用いたバックライト装置では、導光板１０３の端面に光を効率良く入射するために発光ダイオード１０２を導光板１０３の端面に近づける必要があった。そうすると、従来の発光ダイオード１０２では外囲器１０８に透明樹脂１０９を充填しているため、導光板１０３の端面に外囲器１０８、および透明樹脂１０９が近接することになるため、発光チップ１０７で発生し、外囲器１０８、および透明樹脂１０９に伝わった熱が導光板１０３の端面にも伝わることになる。この熱はパワーＬＥＤの場合、外囲器１０８や透明樹脂１０９面上で約８０℃前後の高温になる。その熱が導光板１０３に伝わり、導光板１０３に劣化が発生してしまう。具体的に言うと、発光ダイオード１０２の光が入射する導光板１０３の端面の近くで特に劣化が起こり、その付近で透過性が悪くなり、導光板１０３への光の入射効率が悪化し、ロスが生じるようになる。

また、発光ダイオード１０２と導光板１０３の端面との距離を離すと発光チップ１０７からの出射光が透明樹脂１０９を出る際、透明樹脂１０９と空気では屈折率が異なり透明樹脂１０９の方が大きいために、光は広角度に広がってしまう。そのため、導光板１０３の端面への光の入射効率は悪くなってしまう。

また、発光チップ１０７からの出射光が、導光板１０３の各面に光学シート１０４を貼り付けた際にできるわずかな隙間に入射光が入り込んだ場合、光が入射する導光板１０３の発光面の端面付近で光が偏って出射する現象が見られる。言い換えると、その隙間に白色ＬＥＤの光が入射した場合は輝度ムラが、赤、緑、および青等の複数のＬＥＤの光が入射した場合は輝度ムラおよび色ムラが導光板１０３の発光面に発生する。

また、従来の発光ダイオードでは、軽量化やコストダウンのために導光板１０３の厚さが薄いものを用いた場合、光が導光板に入射せず、外に漏れる量が多くなり大変効率が悪くなる。そこで、発光ダイオードも小型のものを用いると発光チップから十分な発光量を得られなくなることもありうる。ここで、発光チップの発光量は発光ダイオードに印加する電流に比例し、また発熱量も電流に比例するため、十分な光出力を得るために電流を多く流すと、一方で発熱量も上昇する。このため、発生した熱量により発光ダイオードが破壊される可能性があった。

従って、本発明は、上記の課題を解決することができるバックライト装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の発光ダイオードを用いたバックライト装置は、対向する発光面および反射面を有し、かつこれらの面を相互に接続する端面からなる導光板と、この導光板の発光面および反射面に配設された光学シートと、前記導光板の端面近傍に配置された発光ダイオードチップと、この発光ダイオードチップを封止し、ほぼ平面状の光出射面を有する透明樹脂と、この透明樹脂を囲む本体部および前記光出射面より前方に延出した筒状部を有する外囲器とを備え、この外囲器は前記筒状部が前記導光板の端面に接触、または近接するように配置されていることを特徴とする。

したがって、発光ダイオードを導光板の端面に近づけても、導光板の端面に近接するのは発光ダイオードの外囲器の筒状部のみで透明樹脂の光出射面は近接しない。つまり、透明樹脂と導光板の端面との間に空気の層があり、その空気の層があることで、発光チップより発生し、透明樹脂に伝わった熱を導光板の端面に伝わりにくくすることができる。

また、本発明のバックライト装置は、発光ダイオードの外囲器の筒状部が制御する出光幅が導光板の端面の厚さ以下にすることで、発光ダイオードの出射光が導光板の端面に入射せず、外に漏れることを防ぐことができるため、導光板に効率良く光を入射できる。

さらに、本発明のバックライト装置は、発光ダイオードの外囲器の筒状部と導光板の端面との距離を０〜１ｍｍにすることで、さらに、導光板の外に光が漏れるのを防ぐことができる。

よって、本発明によれば、導光板への熱の伝導を抑え、かつ導光板へ効率良く光を入射することができる。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の第１の実施の形態を図１乃至図４を参照して説明する。図１は、本発明による発光ダイオードを用いたバックライト装置の一部を切断して示す斜視図である。

本発明のバックライト装置は導光ユニット１と発光ダイオード２から構成されている。導光ユニット１は、アクリルなどから成る導光板３とさまざまな光学シート４で構成されている。導光板３の形状は扁平矩形形状であり、導光板３はほぼ平行な平面である発光面３ａおよび反射面３ｂと、端面３ｃからなる平板である。なお、導光板３の形状は扁平矩形形状に限らずさまざまであり、くさび型形状などがある。光学シート４は、拡散シート４ａ、プリズムシート４ｂ、および反射シート４ｃから成る。

本発明の場合、発光面前方に光を集めることを優先するため、光学シート４の構成として、導光板３の発光面３ａには光を拡散する拡散シート４ａが、その上に光を集光するプリズムシート４ｂが、さらに反射面３ｂには入射光を発光面３ａの方向に反射する反射シート４ｃが貼られている。ここで、扁平矩形形状の導光板で１つの端面にのみ発光ダイオードを配置してバックライト装置にする場合は、発光ダイオードを配置した端面以外の端面にも反射シートを貼る。その他にも様々なシートの組合せがあり、例えば、広角度に光を広げるシートの組合せ等もでき、用途によって組み合わせることができる。

しかし、これだけでは入射光は導光板３の内部を全反射し、導光板３の発光面前方に光を効率良く取り出すことはできない。そこで、導光板３の反射面３ｂには図示していないが、入射光を導光板３の発光面３ａから外に取り出す手段として、ドット印刷やインジェクション加工等が施されている。これらが施された部分に入射光が当たると、図２の本発明によるバックライト装置の発光ダイオードの拡大断面図に示す入射光のように光の向きが変わり発光面３ａより導光板３の外に取り出すことができる。

発光ダイオード２はＬＥＤ実装基板５上に実装され、その発光ダイオード２にはリードフレーム６の一部が内蔵されている。そのリードフレーム６のリードフレーム下端部６ａはＬＥＤ実装基板５に電気的に接続され、リードフレーム部分６ｂには発光チップ７が構成されている。発光チップ７にはボンディングワイヤ８が取り付けられており、その他端はリードフレーム部分６ｃにつながっている。また、発光チップ７とボンディングワイヤ８は透明樹脂９で封止され、その透明樹脂９の光出射面はほぼ平面状に形成されている。一般に発光ダイオードにおいては、透明樹脂９の形状は光の集光性を高めるために半球状のドーム型に形成したものがあるが、本発明では出射光が広範囲なものを導光板に入射した方が導光板の発光面にムラが少なくなるために透明樹脂９の光出射面をほぼ平面状にしている。そしてその透明樹脂９には透光性と耐熱性に優れたエポキシ樹脂を用いている。透明樹脂９は、絶縁性、耐熱性に優れ、かつ高い反射性を持つＰＰＡ（ポリフタルアミド）等からなる外囲器１０で囲まれており、その本体部で透明樹脂９を囲むとともにその光出射面よりも延出した筒状部１０ａを有している。

図３は、本発明によるバックライト装置に用いられる１個の発光ダイオードの斜視図である。発光ダイオード２の外囲器１０は発光チップ７から発した光が広範囲なものであっても、導光板３の端面３ｃに入射するまで外囲器１０の筒状部１０ａによって外に光を漏らさないようにすることができる。しかし、出射光によっては導光板３の端面３ｃに入射するまで何度か反射を繰り返す場合もあるので、反射による光量ロスを抑えるために、外囲器１０の筒状部１０ａの内壁に、反射シートを貼り付けたり、銀、アルミなどを塗装して、鏡面性や高反射性を持たせたりするのが望ましい。

この発光ダイオード２は、図１に示すように、同一のＬＥＤ実装基板５上に複数取り付けられる。ここで、発光ダイオード２は全て単色の白色ＬＥＤを配置する場合と、赤、緑および青等の複数色のＬＥＤを配置する場合がある。また、全ての発光ダイオードと導光板３の端面３ｃとの距離が同じになるように配置する必要がある。

図４は、本発明によるバックライト装置の側断面図である。図１のように構成したバックライト装置をケース１１に収納保持し、バックライト装置とする。ここでは、バックライト装置の構成として、ある一つの端面に対して複数の発光ダイオードを配置しているが、複数の端面に対して複数の発光ダイオードを配置してもよい。

本発明の第１の実施の形態においては、発光ダイオード２は図１のように同じ導光板３の端面３ｃに対して透明樹脂９の光出射面が平行になるように配置している。そして、発光ダイオード２の外囲器１０に筒状部１０ａを設け、筒状部１０ａを導光板３の端面３ｃに接触、または近接させている。この構成によって、導光板３の端面３ｃと透明樹脂９との間に距離ができ、発光チップ７で発生し、透明樹脂９に伝わった熱が導光板３に伝わるのを防ぐことができ、導光板３の劣化を抑えることができる。

この際、外囲器１０の筒状部１０ａと導光板３の端面３ｃとの距離は０〜１ｍｍ、さらに外囲器１０の筒状部１０ａが制御する出光幅は、導光板３の端面３ｃの厚さより小さく設計する。この出光幅は、筒状部１０ａの開口部の形状特に、開口部の縦方向の幅によって決定される。これらにより、発光チップ７からの出射光が導光板３の端面３ｃに入射するとき、発光ダイオード２の外囲器１０の筒状部１０ａと導光板３との隙間から、導光板３の端面３ｃに入射せず導光ユニット１の外に光が漏れるのを防ぐことができる。

また、発光チップ７からの出射光が、拡散シート４ａ、プリズムシート４ｂ、および反射シート４ｃ等の光学シート４を導光板３の各面に貼り付けた際にできるわずかな隙間に入射光が入り込まないようにすることができる。その隙間に光が入り込んだ場合、光が入射する導光板３の発光面３ａの端面３ｃ付近で光が偏って出射する輝度ムラや色ムラが発生するが、それらのムラも防止することができる。

また、軽量化やコストダウンのために導光板３の厚さが薄いものを用いた場合でも、従来のように導光板の厚さに合わせて、発光量が小さくなる小型の発光ダイオードを使用する必要が無くなる。本発明の発光ダイオード２の場合では、導光板３が薄いものを用いても、その厚さに対応して外囲器１０の形状を変更すれば、光が導光板の外に漏れ効率が悪くなることがないので、用いる発光ダイオードに制限されない。

ここで、外囲器１０は、発光ダイオード２からの出射光が導光板３の端面３ｃに入射するまで光が漏れないように作用し、かつ導光板３の端面３ｃの厚さに対して、外囲器１０の筒状部１０ａが制御する出光幅が常に小さければ、導光板３の端面３ｃに接触または近接する外囲器１０の筒状部１０ａの平面の形状は、図３のような正円のみに限らず、楕円でも良い。また、四辺形その他の多角形の形状でもよく、種々の変形が可能である。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係るバックライト装置の部分側断面図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態のバックライト装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、図１が導光板３の端面３ｃに対し発光ダイオード２の透明樹脂９の光出射面が平行になるように配置し外囲器１０をそのまま真っ直ぐ延出した形状にしていたが、図５では導光板３の端面３ｃに対し発光ダイオード２の透明樹脂９の光出射面を垂直になるように配置して外囲器１０が何段か折れ曲がりながら導光板３の端面３ｃに延出する形状になっている。この形状により、発光チップ７からの出射光が外囲器１０で反射しながら、導光板３の端面３ｃに入射させることができる。この外囲器１０の形状はシミュレーション等により、効率良く光が導光板３に入射する形状にしている。

この構造によっても、導光板３の端面３ｃと透明樹脂９との間に距離を保つことが可能であり、発光チップ７で発生し、透明樹脂９に伝わった熱が導光板３に伝わるのを防ぐことができる。

また、この構造でも外囲器１０で光を反射させながら導光板３の端面３ｃに向かわせるので、外囲器１０には第１の実施の形態と同様、高い反射性を持たせることが望ましい。また、外囲器１０により出光幅を導光板３の端面３ｃより小さくし、延出した外囲器１０の先端と導光板３の端面３ｃとの距離も０〜１ｍｍになるように配置すれば、光の入射効率が良くなり、かつ輝度ムラおよび色ムラ抑えられるのは第１の実施の形態の場合と同じである。

本発明の第１の実施の形態であるバックライト装置の一部切欠斜視図。 図１に示すバックライト装置における発光ダイオード部の拡大断面図。 図１に示すバックライト装置に使用される発光ダイオードの斜視図。 図１に示すバックライト装置の断面図。 本発明第２の実施の形態であるバックライト装置の部分拡大断面図。 従来のバックライト装置の構造を示す部分拡大断面図。

符号の説明

１、１０１ 導光ユニット
２、１０２ 発光ダイオード
３、１０３ 導光板
３ａ 発光面
３ｂ 反射面
３ｃ 端面
４、１０４ 光学シート
４ａ 拡散シート
４ｂ プリズムシート
４ｃ 反射シート
５ ＬＥＤ実装基板
６、１０６ リードフレーム
７、１０７ 発光チップ
８ ボンディングワイヤ
９、１０９ 透明樹脂
１０、１０８ 外囲器
１０ａ 筒状部
１１ ケース

Claims (5)

1. 対向する発光面および反射面を有し、かつこれらの面を相互に接続する端面からなる導光板と、この導光板の発光面および反射面に配設された光学シートと、前記導光板の端面近傍に配置された発光ダイオードチップと、この発光ダイオードチップを封止し、ほぼ平面状の光出射面を有する透明樹脂と、この透明樹脂を囲む本体部および前記光出射面より前方に延出した筒状部を有する外囲器とを備え、この外囲器は前記筒状部が前記導光板の端面に接触、または近接するように配置されていることを特徴とする発光ダイオードを用いたバックライト装置。
2. 前記外囲器の筒状部は、前記光出射面から射出される光を、その出光幅が前記導光板の端面の厚さ以下となるように制御することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードを用いたバックライト装置。
3. 前記外囲器の筒状部と前記導光板の端面との距離が０〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光ダイオードを用いたバックライト装置。
4. 前記発光ダイオードチップは、前記透明樹脂の光出射面が前記導光板の端面に対してほぼ並行になるように設置され、前記外囲器はほぼ直線状の筒状部を有することを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオードを用いたバックライト装置。
5. 前記発光ダイオードチップは、前記透明樹脂の光出射面が前記導光板の端面に対してほぼ垂直になるように設置され、前記外囲器はほぼ直角に曲折された筒状部を有することを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオードを用いたバックライト装置。

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