JP2006339147A - 可撓性回路担体を使用した光源 - Google Patents

Abstract

【課題】部品間の多少のアライメントの誤差を許容することが可能な薄いバックライトを提供すること
【解決手段】可撓性回路担体に結合された発光モジュールを有する光源。可撓性回路担体は、回路実装領域とコネクタ領域との間を接続する導電性トレースを有する可撓性材料のシートからなる。発光モジュールは回路実装領域に接続される。一実施形態において、発光モジュールは線形アレイ状に配置される。光源は、透明材料の平坦な層を有するライトパイプを含み、発光モジュールはその平坦な層の一端に接合される。ライトパイプはプリント回路基板に取り付け、可撓性回路担体の接続領域はプリント回路基板に取り付けることが好ましい。可撓性回路担体は、発光モジュールからの熱をプリント回路基板へ移動させることができ、また、電気的接続の役割も有している。
【選択図】図３

Description

本発明は可撓性回路担体を使用した光源に関する。

液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、種々のコンピュータ及びＴＶのような消費者向け装置に使用されている。バックライトＬＣＤは画素のアレイからなり、各画素は、画素の背後に配置された光源からの光を通過又は遮断するシャッターとして機能する。カラーディスプレイは、画素にカラーフィルタを取り付け、各画素において特定の色の光だけを通過又は遮断することによって実現される。各画素からの光の強度は、その画素を通過状態にするときまでに設定される。

液晶ディスプレイは一般に、ディスプレイの背面全体にわたって一様な光強度の光を生成する白色光源によって照明される。蛍光を使用する光源が特に魅力的である理由は、蛍光光源は、消費電力量１ワット時あたりの光出力が大きいからである。しかしながら、これらの光源は高い駆動電圧を必要とするので、バッテリ駆動型装置にとって、これらの光源はあまり魅力的ではない。

そのため、ＬＥＤを利用した光源をそのような用途に使用することに大きな関心が集まっている。ＬＥＤは白色光源と同様の電気的効率及び寿命を有する。また、必要となる駆動電圧も、大抵の携帯装置におけるバッテリー電力に合致する。任意の色の光を生成する光源は一般に、３つのＬＥＤから構成される。ＬＥＤの相対強度は、ＬＥＤを流れる駆動電流、及び／又は、ＬＥＤのデューティファクタを調節することによって調節される。後者の構成の場合、ＬＥＤは非常に短いサイクル時間内でＯＮ／ＯＦＦされ、人間の観察者はそれを知覚できない。観察者に見える光の強度は平均強度である。従って、種々の色の強度は、それらの種々のＬＥＤがＯＮである時間の割合によって決まる。

ＬＥＤアレイのバックライト照明システムは一般に、ＬＣＤアレイの背後に配置されたライトボックス又はライトパイプを使用する。ライトパイプは、透明なプラスチックから形成された真っ直ぐな透明の物体であり、その一方の面は、ＬＣＤアレイよりも大きな寸法を有する。バックライト照明システムの目的は、この面を表面全体にわたって均一な光強度を有する拡張光源として機能させることにある。光は、ライトパイプの周辺部からライトパイプの中に照射される。この光は、ＬＣＤアレイに隣り合う面であるライトパイプの上面から抜け出ることができるような形で光が散乱されるまで、内部反射によってライトパイプの中に捕捉される。ライトボックスの底面又はライトパイプ自体の材料は散乱中心を含み、各散乱中心に衝突した光は転向され、その光の一部が上面を通って出てゆく。

光源の厚さは、ライトボックスの厚さによって制限される。ラップトップコンピュータや、ＰＤＡ及び携帯電話のような装置全体の厚さが表示装置の厚さによって制限される携帯装置に使用する場合、表示装置の厚さが特に重要となる。携帯装置によっては、１ｍｍ未満の厚さのライトボックスを必要とするものもある。

ディスプレイの厚さが薄くなるほど、光をライトパイプの中に効率的に入射させることは難しくなる。光は、ライトパイプの縁部の所定のポイントから、所定の円錐角以内の角度でライトパイプに入射させなければならない。一般に光源は、小さな基板上に取り付けられた多数のパッケージングされたＬＥＤから構成され、それらのＬＥＤの光放射方向は、ライトパイプの表面に対して平行になっている。この基板は、ライトパイプの下にある回路基板に取り付けられ、ライトパイプの端部に光を照射するように構成される。ライトパイプに対する光源の相対位置が正しくなければ、光がライトパイプの端部に当らないとか、ライトパイプに入射する光の角度が臨界角よりも大きいといった理由から、その光の一部は失われる可能性がある。従って、光は最初の反射時にライトパイプから離れていくことになる。いずれの場合も、照明システムの効率、及び／又は、均一性は低下する。

本発明は、可撓性回路担体に結合された発光モジュールを有する光源を含む。可撓性回路担体は、回路実装領域とコネクタ領域との間を接続する導電性トレースを有する可撓性材料のシートからなる。発光モジュールは回路実装領域に電気的に接続される。一実施形態において、これらの発光モジュールは線形アレイ状に配置される。一実施形態において、それらの発光モジュールは、基板に接合された複数のＬＥＤダイを含み、それらのＬＥＤダイは、透明なカプセル材料の層の中に封入される。一実施形態において、光源は、ライトパイプの厚さ並びに上面及び底面によって特徴付けられた透明材料の平坦な層を含むライトパイプを有する。発光モジュールはその平坦な層の縁部に接合され、発光モジュールからの光は、その縁部に入射し、上面と底面の間で反射されるように構成される。底面は、その平坦な層において、光を上面から放出させることが可能な角度で散乱させるための光散乱中心を有する。一実施形態において、ライトパイプはプリント回路基板に取り付けられ、可撓性担体の接続領域は、そのプリント回路基板に取り付けられる。一実施形態において、平坦な層は発光領域と光混合領域に分割され、光源は、混合領域において上面から出てゆく光を転向させ、混合層の上面を通して戻すための反射器を更に有する。一実施形態において、光源は、上面から出てゆく光によって照明されるＬＣＤパネルを有し、このＬＣＤパネルは発光領域の上に配置される。

本発明がその利点を提供する態様は、図１及び図２を参照することによって、より簡単に理解することが可能である。図１及び図２は、ＬＣＤディスプレイ１６を照明するための従来のライトボックスの構成を示している。図１はライトパイプ１０の平面図であり、図２は図１のライトパイプ１０をライン２−２に沿って切断して見たときの断面図である。光源１０は、ＬＥＤのアレイを使用してライトパイプ１２を照明する。ＬＥＤは回路基板１３上に取り付けられ、回路基板１３はそれらのＬＥＤに電力を供給するための第２の基板１５上に取り付けられている。ＬＥＤは、各ＬＥＤの頂部から出力された光が、ライトパイプ１２の端部を照明するような位置に配置される。表面２１に対して臨界角未満の角度でライトパイプ１２に入射した光２３は、表面１７にある粒子２２によって吸収又は散乱されるまで、ライトパイプ１２の内部を行ったり来たりしながら反射され続ける。臨界角よりも大きな角度で表面２１に衝突した散乱光は、ライトパイプから抜け出て、ＬＣＤディスプレイ１６の背面を照明する。ライトパイプの底面は反射性物質で覆われている。従って、底面に衝突した光は上向きに反射される。

ＬＥＤの近くにあるライトパイプの部分では、光の一部が、臨界角よりも大きな角度でライトパイプに入射し、２４に示すようにライトパイプの上面を通過して直ぐに出てゆく。ただし、臨界角よりも大きな角度で底面に衝突した光は、表面２１に対して臨界角よりも大きな角度で上向きに反射され、同様に失われることに注意して欲しい。従って、ライトパイプの領域２５は、ＬＣＤディスプレイの照明には使用されない。この領域は、異なるＬＥＤからの光を混合するための混合領域として使用される。

ここで、領域２５を通過して失われる光の量は、一般に、ＬＥＤの垂直位置によって決まることに注意して欲しい。ＬＥＤが非常に小さい場合、ＬＥＤからの光のうち、臨界角よりも大きな角度で表面２１に衝突する光の割合が大きくなるため、領域２５から出てゆく光の量は多くなる。また、領域２５のサイズも、ある程度、ＬＥＤの垂直位置によって変わる。領域２５のサイズを広くすれば、垂直位置の誤差を許容することが可能であるが、そのようなサイズの増加は、表示装置のサイズや、所与の明るさのＬＥＤディスプレイを得るために必要な電力を増加させるものとなる。

また、混合領域２５のサイズはＬＥＤ間の間隔によって決まる。一般にＬＥＤには、３つの波長帯域、すなわち、赤色、青色及び緑色の光を放射するＬＥＤがある。人間の観察者が知覚する光源の色は、それらの帯域において放射される光の相対強度によって決まる。各ＬＥＤの光の放射は通常１つの帯域に制限されるため、ＬＥＤは通常、各ＬＥＤが隣りのＬＥＤとは異なる帯域の光を放射するような順番で配置される。光が混合領域２５を出るときに、隣り合った複数のＬＥＤからの光が確実に混合され、混合領域よりも先の領域では色のばらつきが絶対に生じないようにするために、混合領域２５の長さは十分に長いものにしなければならない。従って、異なる帯域の光を放射する３つのＬＥＤを互いに出来る限り近付けて配置するような設計が望ましい。なぜなら、そのような配置であれば、どのような混合領域であっても、良好な色の混合が可能であるからである。図１及び図２に示したタイプの従来技術のシステムでは、ＬＥＤの最小間隔が、ＬＥＤのパッケージングによって制限される。従って、比較的広い混合領域が必要となる。

また、放熱も、上記のタイプの表示装置における重要な問題である。ＬＥＤによって生成される熱は相当な量になるため、その熱は、ＬＥＤを取り付けた基板１３の面積よりも広い面積の表面によって、周囲の空気に発散させなければならない。基板１３とプリント回路基板１５の間に十分な接触面積が存在する場合は、プリント回路基板１５を使用して、その熱を発散させることが可能である。基板１３は通常、大きな熱伝導性を得るために、プリント回路基板１５にはんだ付けされる。はんだ接続は、ＬＥＤを駆動するのに使用される電気信号の信号線にも使用される。この強固な結合により、２つの問題が生じる。１つは、ライトパイプ１２に対するＬＥＤのアライメントの精度が、この結合の精度によって左右されることである。もう１つは、ＬＣＤディスプレイの動作中に、プリント回路基板１５に伝達される熱によって、プリント回路基板１５が加熱されることである。この温度変化は、基板の湾曲を引き起こし、プリント回路基板に対するＬＥＤのアライメントが変化する。

本発明は、可撓性回路担体を使用して、上記のＬＥＤアレイと剛性の回路基板１５を接続する。可撓性プリント回路基板を使用すれば、温度変化によるプリント回路基板１５の撓みを許容するのに必要となる許容誤差が得られ、また、精密な取り付けに依らずに、ＬＥＤをプリント回路基板１５に接続することが可能になる。可撓性プリント回路基板は当該技術分野に既知のものであるから、本明細書で詳しい説明はしない。可撓性樹脂基板の上に薄い材料層を堆積させた後、従来のフォトリソグラフィ技術を使用してその層を複数の導体に変換することにより、可撓性回路担体を製造することが可能であることを述べておけば、本発明の説明の都合上は十分であろう。

次に、図３及び図４を参照する。図３及び図４は、本発明の一実施形態による、ディスプレイパネル７０を照明するための光源５０を示している。図３は光源５０の分解斜視図であり、図４は光源５０の断面図である。光源５０は、基板５２上に取り付けられた複数のＬＥＤ５１を含む。これらのＬＥＤは、光透過性材料によってライトパイプ５３の縁部に接合される。基板５２は、各ＬＥＤに電力を供給するのに必要となるリードを有する。これらのリードは、可撓性回路基板５５の一部である導電性ラインにはんだ接合されている。これらの導電性トレースは、プリント回路基板６０に接合されたコネクタ５６によって終端され、プリント回路基板６０は、ＬＥＤを駆動するための対応する導体のセットを有する。導電性トレースの構成については、後で詳しく説明する。

光源５０は反射器５７を更に有する。反射器５７は２つの機能を有する。１つは、ライトパイプの中で行ったり来たりしながら反射されている光が、ライトパイプから抜け出して、望ましくないバックライトが生成されるのを防止することである。もう１つは、色混合領域５９においてライトパイプ５３の上面を通って出てゆく光の一部を再使用することである。

光源５０は、ライトパイプ５３の下に配置された反射性シート６１を更に含む。反射シート６１は、光がライトパイプ５３の底面を通って抜け出るのを防止する。ライトパイプ５３は、図２を参照して上で説明したものと同様の機能を有する散乱中心を有し、ライトパイプの中を進行する光の一部を散乱させ、散乱された光をライトパイプの上面を通してライトパイプから逃がすことができる。図１及び図２を参照して上で説明したように、それらの散乱中心は、ライトパイプのプラスチックの中に懸濁させてもよいし、ライトパイプの底面上に分布させてもよい。散乱光の一部は下向きに転向される。反射性シート６１は、その光をライトパイプ５３の上面に向けて転向させる。

一実施形態において、ライトパイプ５３はテーパ付き縁部６５を有し、可撓性回路担体５５がライトパイプ５３の縁部に接触して損傷することを防止することができる。

ライトパイプの縁部を照明するのに好ましい光源は、白色の線光源である。一方、ＬＥＤはもともと、狭い帯域の波長の光を放射する点光源であるから、「白色」ではない。そのため、複数のＬＥＤを組み合わせて、白色の線光源を近似しなければならない。白色ＬＥＤは、複数のカラーＬＥＤから発せられた光を結合することによって構成される。通常は、赤色、青色及び緑色の領域のスペクトルの光を放射する３つのＬＥＤが使用される。これらのＬＥＤは、遠くからみたときに線光源を近似すように、ライトパイプの縁部に沿って並べられる。光源の色混合領域のサイズを最小限に抑えるために、各トリプレット（３つのＬＥＤのセット）のＬＥＤは、互いに出来る限り近づけて配置しなければならない。パッケージングされたＬＥＤを使用する光源は、ダイを取り付けるパッケージによって制限される。一般に、実際のＬＥＤダイは比較的小さく、一般的には端から端まで０．５ｍｍである。従って、個々のＬＥＤをトリプレットにグループ化し、それらを出来る限り互いに近づけてパッケージングすることにより、白色ＬＥＤの近似体を形成することができる。そして、そのような「白色」ＬＥＤをライトパイプの縁部に沿って出来る限り狭い間隔で分配配置することにより、所望の平均光強度が得られる。

次に、図５〜図６を参照する。図５〜図６は、赤色、青色及び緑色のスペクトルの光をそれぞれ放射する３つのチップを利用した、白色光源モジュール８０を示している。図５はモジュール８０の平面図であり、図６はモジュール８０の側面図である。モジュール８０は、基板８４上に取り付けられたＬＥＤダイ８１〜８３から構成され、基板８４は、それらのダイに信号を供給するための電気トレースを有する。ＬＥＤ８０に使用されるダイは、全ダイに共通な下側接点と、ダイから放射される光の強度を決める信号をダイに供給するための上側接点とを有する。上側端子は、ワイヤボンディング８６によって、基板８４上のパッドに接続される。これらのダイは、透明なプラスチック８７の中に封入される。好ましい構成では、線光源を近似するために、ＬＥＤは、三角形の各頂点に取り付けられる配置ではなく、同一ライン上に取り付けられる。このような配置にすれば、ＬＥＤ間はいくらか離れることになるが、ＬＥＤから放射される光は、ライトパイプに対して確実に同じ円錐角内で放射される。

ＬＥＤモジュール８０の厚さはライトパイプの厚さよりも薄いことが望ましく、中間ライトパイプを設けることなく、ＬＥＤからの光をライトパイプに直接結合させることが出来るように構成することが望ましい。多くの携帯装置に使用されるライトパイプの厚さは、０．８ｍｍ以下である。ダイは０．５ｍｍ未満であるから、本発明によれば、ライトパイプに対する望ましい結合が可能である。個々のダイは０．５ｍｍ程度の距離に配置することが可能であるから、任意の色の点光源を良好に近似することが可能な、赤色、青色及び緑色のセットを有するモジュールが得られる。

ライトパイプの縁部に沿って配置されるそれらのモジュールの数と、光源のコストとの間には、トレードオフが存在する。ライトパイプの縁部の長手方向に沿って、モジュールを可能な限り近づけて密集させることにより、最良の性能が得られる。この構成によれば、線形ライトパイプを最も良好に近似することができ、混合領域は最小限で足りる。ただし、この構成は、ダイの総数が多いので、コストが高い。モジュール数を減らしてコストを削減した場合、モジュール間に隙間ができ、得られる光源は、所望の線形光源を十分に近似しないものになる。この不十分な近似を補償するためには、より広い混合領域が必要になる。

ライトパイプの厚さがＬＥＤダイの幅よりも遥かに厚い場合、全てのダイを同一ライン上に配置する利点は減少する。その場合、狭い間隔を有する複数のライン上に、二次元アレイの形でダイを配置してもよい。その際、アレイの長さはその幅よりも大幅に長くする。このようなダイの配置によれば強い光強度が得られるため、このような構成は高い表領域を有するライトパイプに非常に適している。

また、個々のＬＥＤをライトパイプの縁部の長さと同じ長さを有する１つの長いパッケージに組み込むことも可能であることに注意して欲しい。その場合、１つのカプセル化されたＬＥＤのアレイは、上記の各モジュールに取り付けるのではなく、可撓性担体に取り付ける。

次に、図７及び図８を参照する。図７及び図８は、本発明の一実施形態による照明システムに使用される可撓性回路担体上に設けられた光源の詳細図である。図７は光源９０の平面図であり、図８は光源９０の側面図である。光源９０は、可撓性回路担体９３の前面９２に接合された複数のＬＥＤモジュール９１を含む。可撓性回路担体９３は、可撓性絶縁層の前面及び裏面に導電性トレースを有する。この実施形態において、ＬＥＤモジュールは、基板９５の底面に接点を有する。これらの信号接点は、可撓性回路担体９３の前面にある導電性トレース９２に接続される。底面にある熱伝導層９６は、金属が充填されたバイア９７によって基板９５に接続される。複数のＬＥＤを並列に駆動する構成の場合、熱伝導層９６は、ＬＥＤモジュールのための共通電源レールとしても機能する。可撓性回路担体の前面にある導電性トレースは、バイア１０１を介して、可撓性回路担体の裏面にあるマルチ導体コネクタ９８に接続される。コネクタ９８は回路基板に熱を伝達するための層９６に接続された領域を更に有し、コネクタ９８はその回路基板にはんだ付けされ、又は機械的に接続される。なお、可撓性でなければならないのは、可撓性回路担体９３の領域１０２だけであることに注意して欲しい。

本発明に使用される可撓性回路担体によれば、剛性のプリント回路基板に対する光源やＬＣＤパネルの取り付けが大幅に簡単になる。次に、図９を参照する。図９は、本発明の一実施形態による表示装置１５０の断面図である。表示装置１５０はＬＣＤパネル１１０を含み、ＬＣＤパネル１１０は、上記のようにライトパイプ１１５からの光によって照明される。ライトパイプ１１５における光は、ライトパイプ１１５の一端にエポキシのような透明材料によって固定された複数のＬＥＤモジュール１１４によって生成される。ＬＥＤモジュール１１４とライトパイプ１１５からなる光源は、１２０及び１２１に示す２つのクランプによってＬＣＤパネル１１０及び回路基板１１１に固定される。このアセンブリは、スプリング手段を使用して、プリント回路基板１１１に固定される。例えば、パッド１１２及び１１３のような１以上の弾性パッドを使用すれば、クランプにバネ加重をかけることが可能である。ＬＥＤモジュールとプリント回路基板との間の接続は、上で説明したものと同様のやり方で、可撓性回路担体１３１によって形成される。なお、この構成の場合、反射器１２２はクランプ１２０の一部として形成してもよい。

本発明で使用するのに適した可撓性回路担体は市販されている。従って、本明細書で詳しい説明はしない。例えば、カリフォルニア州アナハイムにあるマルチ−ファインライン・エレクトロニクス，インコーポレイテッドは、本発明で使用するのに適した担体を製造している。なお、本発明の説明の都合上、０．２ｍｍ未満の厚さのそのような担体が市販されていることを述べておく。担体を通して部品が配置された面とは反対側の面に熱を移動させることができるため、従来の剛性のプリント回路基板よりも高い放熱効率が得られる。

上記の説明及び添付の図面から、本発明の種々の変更は当業者には明らかであろう。従って、本発明は特許請求の範囲の記載によってのみ制限される。

光源１０の平面図である。 図１の光源１０をライン２−２に沿って切断してみたときの断面図である。 光源５０の分解斜視図である。 光源５０の断面図である。 モジュール８０の平面図である。 モジュール８０の側面図である。 光源９０の平面図である。 光源９０の側面図である。 本発明の一実施形態によるディスプレイ１５０の断面図である。

Claims (15)

1. 回路実装領域とコネクタ領域(98)との間を接続する導電性トレース(92)を有する可撓性材料のシートからなる可撓性回路担体(55,93)と、
   前記回路実装領域に取り付けられた複数の発光モジュール(80,91)と
   を含む、光源(50)。
2. 前記可撓性材料のシートは熱伝導性の層(96)からなる、請求項１に記載の光源(50)。
3. 前記熱伝導性の層(96)は前記シートの一方の面に設けられた金属製の層からなる、請求項２に記載の光源(50)。
4. 前記可撓性のシートはテーパを有し、前記コネクタ領域(98)の幅は前記回路実装領域の幅よりも短い、請求項１に記載の光源(50)。
5. 前記発光モジュール(80,91)は線形アレイ状に配置される、請求項１に記載の光源(50)。
6. 前記発光モジュール(80,91)のうちの１つは、基板に接合された複数のＬＥＤダイからなり、前記ＬＥＤダイは透明なカプセル材料の層の中に封入される、請求項１に記載の光源(50)。
7. ライトパイプの厚さ並びに上面及び底面によって特徴付けられる透明材料の平坦な層(53)を含むライトパイプであって、前記複数の発光モジュール(80,91)が、前記平坦な層(53)の縁部に接合され、前記発光モジュール(80,91)からの光が前記縁部に入射して、前記上面と前記底面の間で反射され、前記底面が、前記平坦な層(53)において、前記光を前記上面から放出させることが可能な角度で散乱させる散乱中心を含むように構成されたライトパイプを更に含む、請求項１に記載の光源(50)。
8. プリント回路基板(60)を更に含み、前記ライトパイプは前記プリント回路基板に取り付けられる、請求項７に記載の光源(50)。
9. 前記可撓性回路担体(55,93)の前記コネクタ領域(98)は前記プリント回路基板に接続される、請求項８に記載の光源(50)。
10. 前記底面の下に反射層(61)を更に含む、請求項７に記載の光源(50)。
11. 前記平坦な層(53)は発光領域と光混合領域に分割され、
    前記混合領域において前記上面から出ていく光を前記混合領域の前記上面を通して戻す方向に導くための反射器(57)を更に含む、請求項７に記載の光源(50)。
12. 前記プリント回路基板は、機械式クランプ(120,121)によって前記ライトパイプに取り付けられる、請求項８に記載の光源(50)。
13. 前記クランプ(120,120)はスプリング(112,113)を含む、請求項１２に記載の光源(50)。
14. 前記スプリング(112,113)は、前記平坦な層(53)と前記プリント回路基板との間に配置された弾性パッドからなる、請求項１３に記載の光源(50)。
15. 前記発光領域の上に配置され、前記上面から出てゆく光によって照明されるＬＣＤパネル(110)を更に含む、請求項１１に記載の光源(50)。

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