JP2008300194A - 中空式面照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を大型化することなく、照明光の高輝度化、かつ、高均斉度化が可能な中空式面照明装置を提供する。
【解決手段】ユニットケース１の底面側に光反射面部材２を配置し、ユニットケースの表側に発光面部材３を配置し、光反射面部材と発光面部材とで挟まれる空間を中空導光領域１０とし、配線基板に多数個のＬＥＤを列設実装したＬＥＤ光源５を中空導光領域に隣接して配置し、ＬＥＤ光源からの光をその光軸がユニットケースの発光面部材の面に平行になるように集光するＬＥＤコリメータ９をＬＥＤ光源の出射部に配置した構成の中空式面照明装置であって、光反射面部材２は中央部が盛上る山形とし、稜線の両側の低部上面それぞれにＬＥＤコリメータから出て当該低部上面に他の部分よりも散乱特性が低い狭角散乱部２１を設けたもの。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば液晶表示装置のバックライトユニットのように発光面から均一な輝度分布の照明光を出射する中空式面照明装置に関する。

近年、液晶表示装置用バックライトユニットの光源として、冷陰極放電灯からＬＥＤに代替される動きが進んでいる。これは、ＬＥＤには有害物質である水銀が含まれず、環境調和型の光源として適していること、また最近の大幅な発光効率の向上により消費電力が大幅に低減できることによるところが大きい。ＬＥＤを光源として備えるバックライトユニットは、これまで携帯電話機やモバイル端末のように概ね小型機器に対する用途が中心であったが、最近では２０インチ型以上の液晶モニタや液晶テレビ等、大型の液晶表示装置にも採用の動きが進んでいる。

大型液晶表示装置の場合、そのバックライトユニットには高輝度であることが求められる。そのため、小型のバックライトユニットで一般的に採用されている、導光板の側部に点光源（ＬＥＤ）を複数配置して発光させ、導光板に側面から導光して拡散、反射させ、導光板の表側の面発光部から出射させる導光板サイドライト方式は大型液晶表示装置のバックライトとしては採用されていない。

大型液晶表示装置用のバックライトユニットとしては、特開２００５−３１６３３７号公報（特許文献１）に記載されているように、面発光部の直下にＬＥＤ光源を配置した直下型のバックライトユニットが一般的になっている。

このような直下型のバックライトユニットでは、光源がＬＥＤであるため、配列した多数のＬＥＤと面発光部との距離が近接しすぎると輝度むら、色むらとして認識され、それが照らす液晶の表示品質を悪化させてしまう。この現象は、高輝度を実現するために、１個当りの電力が１Ｗクラス以上の高出力ＬＥＤを光源とした場合にいっそう顕著に現われる。反面、輝度むら、色むらを低減させるためにＬＥＤと面発光部（拡散板）との距離を遠ざけることは、装置全体の厚みを増加させることにつながり、近年の薄型化の傾向に反して好ましくない。

薄型でかつ大型化が可能な中空式サイドライト方式のバックライトユニットとして、特開平８−１７１８０６号公報（特許文献２）に記載されたものが知られている。特許文献２に記載のものは、ハウジングに、一側方に射光部をもつ長尺な光源と、この光源の光射出方向前方側底部に拡がり、該光源から遠ざかる部位を上向きに傾斜させた乱反射層と、この乱反射層で乱反射した光を上面に向かって導く空気層と、ハウジングの上面に設ける光拡散層と、光源の射光部に近接配置する長尺な凸レンズ体とを備えた構成である。この従来のバックライトユニットでは、長尺の凸レンズ体の集光特性により長尺な光源からの光が乱反射層の１箇所に線状に集光しがちであり、発光面全体で均一な輝度を得ることが、特に大面積のバックライトユニットでは難しい問題点がある。

他方、中空式サイドライト方式のバックライトユニットとして、特開２００６−１０６２１２号公報（特許文献３）に記載されたものも知られている。しかしながら、この特許文献３に記載のものは、光源のＬＥＤ個数が少なく、バックライトユニットとして必要な白色光を大面積に発光させることが困難という問題点がある。
特開２００５−３１６３３７号公報 特開平８−１７１８０６号公報 特開２００６−１０６２１２号公報

本発明は、上記のような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、サイドライト方式の中空式面照明装置であって、装置を大型化することなく、照明光の高輝度化、かつ、高均斉度化が可能な中空式面照明装置を提供することを目的とする。

尚、本願において、「サイドライト方式」とは、発光面の背部側方の光源から発光面に平行な方向に光を出射し、この光を屈折、反射、拡散させて発光面に導光する照明方式をいう。

本発明の１つの特徴は、中空のユニットケースの底面側に光反射面部材を配置し、前記ユニットケースの前記光反射面部材と対向する表側に発光面部材を配置し、前記ユニットケースにおける前記光反射面部材と発光面部材とで挟まれる空間を中空導光領域とし、配線基板に多数個のＬＥＤを列設実装して成るＬＥＤ光源を前記中空導光領域の両側それぞれに隣接して、当該中空導光領域に出射するように配置し、前記ＬＥＤ光源からの光をその光軸が前記ユニットケースの発光面部材の面に平行になるように集光するＬＥＤコリメータを前記ＬＥＤ光源各々の出射部に前記ＬＥＤの配列と平行に配置した構成の中空式面照明装置であって、前記光反射面部材は、前記ユニットケースの底面中央で前記ＬＥＤの列に平行な線に沿って盛上り、その稜線の両側に遠ざかるほど漸次低くなる山形とし、前記稜線の両側の低部上面それぞれに前記ＬＥＤコリメータから出て当該低部上面に他の部分よりも散乱特性が低い狭角散乱部を設けた中空式面照明装置である。

本発明の別の特徴は、中空のユニットケースの底面側に光反射面部材を配置し、前記ユニットケースの前記光反射面部材と対向する表側に発光面部材を配置し、前記ユニットケースにおける前記光反射面部材と発光面部材とで挟まれる空間を中空導光領域とし、配線基板に多数個のＬＥＤを列設実装して成るＬＥＤ光源を前記中空導光領域の片側に隣接して、当該中空導光領域に出射するように配置し、前記ＬＥＤ光源からの光をその光軸が前記ユニットケースの発光面部材の面に平行になるように集光するＬＥＤコリメータを前記ＬＥＤ光源の出射部に前記ＬＥＤの配列と平行に配置した構成の中空式面照明装置であって、前記光反射面部材は、前記ＬＥＤコリメータ側が低く、当該ＬＥＤコリメータから離れるに従い漸次高くなる片スロープ形をなし、前記ＬＥＤコリメータ側の低部上面に前記ＬＥＤコリメータから出て当該低部上面に他の部分よりも散乱特性が低い狭角散乱部を設けた中空式面照明装置である。

本発明によれば、ＬＥＤ光源の出射側にＬＥＤコリメータを配置することでＬＥＤ光源の光を効率良く、かつ平行度の高い光としてユニットケース内の中空導光領域に導入し、面発光部の全体からむらなく出射させることができ、高輝度で、かつ均斉度も高い照明光を出射できる。

また、本発明によれば、光反射面部材を山形とし、その稜線の両側の低部上面それぞれにＬＥＤコリメータから出て当該低部上面に他の部分よりも散乱特性が低い狭角散乱部を設けたので、ＬＥＤコリメータの出射部直下に入光する光を光反射面部材のより遠方側に反射させることができ、その結果として面発光部の全体から高輝度でかつ均斉度も高い照明光を出射でき、大型液晶表示装置のバックライトユニットとしても採用できるサイドライト方式の中空式面照明装置を実現できる。

さらに、本発明によれば、光反射面部材を片スロープ形とし、その低部上面にＬＥＤコリメータから出て当該低部上面にＬＥＤコリメータから出て当該低部上面に他の部分よりも散乱特性が低い狭角散乱部を設けたので、ＬＥＤコリメータの出射部直下に入光する光を光反射面部材のより遠方側に反射させることができ、その結果として面発光部の全体から高輝度でかつ均斉度も高い照明光を出射できる片側入射型のサイドライト方式の中空式面照明装置を実現できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１、図２は本発明の１つの実施の形態の中空式面照明装置としての液晶表示装置用のバックライトユニットを示している。このバックライトユニットは両側入射タイプであり、矩形のユニットケース１の底面中央で１つの辺に平行な線に沿い、山形に盛上り、その稜線の両側に遠ざかるほど漸次低くなる山形の光反射面部材２が配置してある。このユニットケース１の発光面である表側開口面に発光面部材３が配置してある。そして、ユニットケース１に発光面部材３側からフロントフレーム４を被せ、ユニットケート１と一体化することで本実施の形態のバックライトユニットが組み上げられている。ユニットケース１内の、光反射面部材２と発光面部材３とで挟む空間部分は、中空導光領域１０となっている。

光反射面部材２は、金属あるいは樹脂の機材に高反射性、かつ拡散反射性を有する材料、例えば白色ＰＥＴフィルムや白色インクを積層させ、かつ、発光面部材３での輝度分布が均一になるように、発光面部材３との距離を変化させる形状にしてある。光拡散反射性を有する材料としては、上記の他に、鏡面反射性を持つ高反射アルミニウム等に光透過性拡散材をコーティングしたものでもよい。山形の光反射面部材２の両側の低部それぞれに、狭角散乱特性を備えた狭角散乱部材２１が貼り付け、あるいは光反射面部材２の一部として設けてある。

この狭角散乱部材２１は、他の部分よりも散乱特性が低く、反射特性が高い光学特性を有することでその反射成分の散乱分布特性が他の部分よりも狭角分布になるものである。後述するコリメータ９から中空導光領域１０となる空間内に放射された光のうちコリメータ９の近傍部分のものは、光源からの距離が近いため、入射して反射する光の量の比率として遠くへ届く反射光の量よりも近くへ反射する反射光の量の方が比率が大きい。近くへ反射する光の量が多いとその部分が明るくなりすぎる。そこでこの部分のみ反射率を下げるか面に当たった光が拡散あるいは散乱しにくいように狭拡散にすることでコリメータ９の近傍部分で反射する光の比率を下げ、光反射面部材２の全体として反射光の分布を均一にできる。一般的に幾らかの角度（入射角）で反射面に当たった光は、反射面が完全な鏡面であれば入射した光の殆どが入射角と同じ角度で反対方向へ放射されるが、反射面の表面或いは透明層の内部に光を乱反射させるような表面構造や細かい反射部材が有ると、入射角に関係なく反射面で光が散乱或いは拡散する。この現象を解消し、できる限り入射角と略等しい角度で反対側に放射する光の比率を高めるのが狭角散乱部材である。

狭角分布特性とするには、光反射面部材２を白色ＰＥＴシートや白色インクで形成している場合には、図２、図５に示すようにその上面に鏡面反射特性を持つアルミニウム箔、銀蒸着シートあるいは高反射多層膜フィルム２１を積層することで実現する。また、反射面部材２を鏡面反射性を持つ高反射アルミニウム等に光透過性拡散材をコーティングしたもので形成している場合には、該当部分だけ光透過性拡散材のコーティング層を削除することで実現する。

発光面部材３は、少なくとも光透過拡散板３Ａに対して、さらに拡散シート３Ｂ，３Ｃ、レンズシート３Ｄ等の光学シートを重ねて構成したものであり、中空導光領域１０を通り、山形の光反射部材２に当たって反射して来た光を均一に拡散、出射させることで、発光面での輝度むらをなくし、均斉度を高くする働きをする。

ユニットケース１は、アルミニウム合金等の高熱伝導性の金属で形成されている。このユニットケース１における光反射面部材２の稜線に平行な両側面それぞれに、ＬＥＤ光源５が配置してある。

このＬＥＤ光源５は、ユニットケース１の該当側面に収容できる幅を持つ細長い配線基板６上に多数個のＬＥＤ７を一列若しくは複数列に列設実装したものである。配線基板６は光熱伝導性のアルミ系、同系合金などの金属や、窒化アルミニウム等のセラミックにより形成してあり、高熱伝導性のユニットケース１の側壁にねじ止め、接着その他の手段で固定している。尚、この配線基板６とユニットケース１の側壁との間には高熱伝導性の両面テープ、シートあるいはグリースを介在させるのが好ましい。ＬＥＤ光源５上に実装されるＬＥＤ７には、所望の白色色度に合成させるための数量比で配置した赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色ＬＥＤを用いる。あるいは、青色ＬＥＤと黄色蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤパッケージを用いる。

ＬＥＤ光源５の出射側、つまり、中空導光領域１０に面する側に、ＬＥＤ７の列を覆う形状の凹溝８が形成された細長いＬＥＤコリメータ９が配置してある。このＬＥＤコリメータ９は、ＬＥＤ光源５のＬＥＤ７からの光を中空導光領域１０の厚さ方向に集光させてこの中空導光領域１０に入光させるための部材であり、例えば、アクリルやポリカーボネートのような透明樹脂、あるいはガラスで形成されている。

図３、図４に詳しく示してあるように、ＬＥＤコリメータ９のＬＥＤ７の列に面する入射部側に凹溝８が形成されている。この凹溝８の溝壁面は、ＬＥＤ７の光軸に近い角度の放射光を体内に導光する凸形状の入射面ＩｎＡと、ＬＥＤ７の光軸から離れた角度の放射光を体内に導光する平面形状の入射面ＩｎＢ１，ＩｎＢ２となっている。ＬＥＤコリメータ９の図において下側と上側に位置する側面は、体内の光を全反射する全反射面ＴＩＲ１，ＴＩＲ２となっている。ＬＥＤコリメータ９の出射部は、入射面ＩｎＡからの入射光に対応する凸形状の出射面ＥｘＡと、入射面ＩｎＢ１，ＩｎＢ２から入射した後、全反射面ＴＩＲ１，ＴＩＲ２で全反射した光に対応する凹曲面形状の出射面ＥｘＢ１，ＥｘＢ２となっている。

ＬＥＤ７の列からＬＥＤコリメータ９に入り、ＬＥＤコリメータ９から中空導光領域１０に出射する光ＲＹＡ，ＲＹＢ１，ＲＹＢ２は、形状を最適化した反射面部材２の反射面で発光面部材３の方向へ反射され、この発光面部材３の発光面から高輝度で、かつ輝度むらのない状態で出射される。このＬＥＤコリメータ９の存在によって、ＬＥＤ７から広角度に放射される光を光利用効率８０％以上の高効率かつ狭角度で集光し、中空導光領域１０における反射損失を最低限に抑える。

また、図５に示すように、反射面部材２の低部においてＬＥＤコリメータ９に近い位置に設けた狭角散乱部材２１は、ＬＥＤ光源５からＬＥＤコリメータ９を経て中空導光領域１０に入射する光のうち、この部分に入射する光をより遠方側に効果的に反射することで、中空導光領域１０に光を広く分散させ、発光面部材３の全体にわたり輝度を均斉化することができる。

図６（ａ）は、本実施の形態のバックライトユニット３０における発光面の相対する２側面それぞれに設けられた一対のＬＥＤ光源５による光源ラインに直角な方向（ＬＥＤ配列方向に直角あるいはＬＥＤの光軸方向に平行な方向）を輝度分布測定ライン３１とし、図６（ｃ）はその輝度分布測定ライン３１上における一対のＬＥＤ光源５による光源ライン間の輝度分布Ａを示している。そして、図６（ｂ）は狭角散乱部材２１を配置しない場合の面発光部材３での輝度分布特性Ｂを示している。尚、ＬＥＤ光源５はこの場合、図６（ａ）のバックライトユニット３０において上下それぞれの長辺の位置に相対向するように設置されている。この輝度分布特性Ａ，Ｂから明らかなように、狭角散乱部材２１が存在しなければ輝度が高くなりがちな発光面部材３の周辺部の輝度を抑えることができ、面発光部材３の輝度の均斉度を向上させることができる。

（第２の実施の形態）図７を用いて、本発明の第２の実施の形態の片側入射タイプのバックライトユニットについて説明する。図１、図２に示した第１の実施の形態では、光反射面部材２は中央を稜線とする山形とし、ＬＥＤ光源５はユニットケース１における光反射面部材２の両側低部に隣接する側面部それぞれに設置したバックライトユニットを示したが、本実施の形態のバックライトユニットは、片スロープの反射面部材２Ａを使用し、１つのＬＥＤ光源５をユニットケース１１における反射面部材２Ａの低部に隣接する側面部に設置した構成である。尚、図７において、図１、図２における符号と共通するものは同一の要素を示している。

本実施の形態にあっても、片スロープ形の光反射部材２１のＬＥＤコリメータ９の近くの低部に狭角散乱部材２１を設置している。これにより、ＬＥＤ光源５からＬＥＤコリメータ９を経て中空導光領域１０に入射する光のうち、この部分に入射する光Ｌ１を中空導光領域１０内のより遠方側に効果的に反射し、この結果として、発光面部材３の輝度の均斉度を向上させることができる。

（第３の実施の形態）図８、図９を用いて、本発明の第３の実施の形態のバックライトユニットについて説明する。本実施の形態のバックライトユニットは、発光面部材３’を透明板３Ａ’と、光学シート群３Ｂ〜３Ｄにて構成したことを特徴とする。尚、本実施の形態における他の構成は、図１、図２に示した第１の実施の形態と共通であり、したがって、以下、共通する要素には共通の符号を用いて説明する。

このバックライトユニットは、矩形のユニットケース１の底面中央で１つの辺に平行な線に沿って盛上り、その稜線の両側に遠ざかるほど漸次低くなる山形の光反射面部材２が配置してある。このユニットケース１の発光面である表側開口面に発光面部材３が配置してある。そして、ユニットケース１に発光面部材３側からフロントフレーム４を被せ、ユニットケート１と一体化することで本実施の形態のバックライトユニットが組み上げられている。ユニットケース１内の、光反射面部材２と発光面部材３’とで挟む空間部分は、中空導光領域１０となっている。尚、本実施の形態においても、光反射面部材２に第１の実施の形態のように狭角拡散部材２１を設けているが、この狭角拡散部材２１は必要でない場合には設けなくてもよい。

本実施の形態の特徴である発光面部材３’は、透明板３Ａ’に対して、さらに出射光を均一に拡散させるための拡散シート３Ｂ，３Ｃ、集光させるためのレンズシート３Ｄ等の光学シートを重ねて構成したものであり、中空導光領域１０を通り、山形の光反射部材２に当たって反射して来た光を均一に拡散、出射させることで、発光面での輝度むらをなくし、均斉度を高くする働きをする。

発光面部材３’における透明板３Ａ’は、アクリルやポリカーボネートのような透明樹脂、あるいはガラスなどで形成し、９０％以上の光透過率を持ち、かつ、表面が平滑な透明板である。

本実施の形態によれば、このような透明板３Ａ’を用いたことにより、ＬＥＤ光源５からの出射光が光源近傍の面発光部に達した場合にもこの光透過拡散板３Ａの表面反射効果によってＬＥＤ光源５側から遠方の方向へ導くことができ、面発光部のサイズを大型化する場合や装置全体を薄型化する場合にも、ＬＥＤ光源５から離れた領域での光量を不足させず、結果として面発光部の輝度均斉度を高くすることができる。

尚、本実施の形態の特徴である発光面部材３’の構成は、第２の実施の形態のような片側入射タイプのバックライトユニットにおける発光面部材３として採用することもできる。

本発明の第１の実施の形態のバックライトユニットの分解斜視図。 上記実施の形態のバックライトユニットの断面図。 上記実施の形態で採用したＬＥＤコリメータの一部破断斜視図。 上記実施の形態におけるＬＥＤコリメータの集光特性を示す断面図。 上記実施の形態のバックライトユニットにおける中空導光領域での光反射散乱挙動を示す断面図。 上記実施の形態と狭角散乱部材を用いない比較例とのバックライトユニットの輝度分布特性を示すグラフ。 本発明の第２の実施の形態のバックライトユニットの断面図。 本発明の第３の実施の形態のバックライトユニットの分解斜視図。 上記実施の形態のバックライトユニットの断面図。

符号の説明

１ ユニットケース
２ 反射面部材
３，３’ 発光面部材
３Ａ 光透過拡散板
３Ａ’ 透明板
４ フロントフレーム
５ ＬＥＤ光源
６ 配線基板
７ ＬＥＤ
９ ＬＥＤコリメータ
１０ 中空導光領域

Claims (3)

1. 中空のユニットケースの底面側に光反射面部材を配置し、
   前記ユニットケースの前記光反射面部材と対向する表側に発光面部材を配置し、
   前記ユニットケースにおける前記光反射面部材と発光面部材とで挟まれる空間を中空導光領域とし、
   配線基板に多数個のＬＥＤを列設実装して成るＬＥＤ光源を前記中空導光領域の両側それぞれに隣接して、当該中空導光領域に出射するように配置し、
   前記ＬＥＤ光源からの光をその光軸が前記ユニットケースの発光面部材の面に平行になるように集光するＬＥＤコリメータを前記ＬＥＤ光源各々の出射部に前記ＬＥＤの配列と平行に配置した構成の中空式面照明装置であって、
   前記光反射面部材は、前記ユニットケースの底面中央で前記ＬＥＤの列に平行な線に沿って盛上り、その稜線の両側に遠ざかるほど漸次低くなる山形とし、前記稜線の両側の低部上面それぞれに前記ＬＥＤコリメータから出て当該低部上面に他の部分よりも散乱特性が低い狭角散乱部を設けたことを特徴とする中空式面照明装置。
2. 中空のユニットケースの底面側に光反射面部材を配置し、
   前記ユニットケースの前記光反射面部材と対向する表側に発光面部材を配置し、
   前記ユニットケースにおける前記光反射面部材と発光面部材とで挟まれる空間を中空導光領域とし、
   配線基板に多数個のＬＥＤを列設実装して成るＬＥＤ光源を前記中空導光領域の片側に隣接して、当該中空導光領域に出射するように配置し、
   前記ＬＥＤ光源からの光をその光軸が前記ユニットケースの発光面部材の面に平行になるように集光するＬＥＤコリメータを前記ＬＥＤ光源の出射部に前記ＬＥＤの配列と平行に配置した構成の中空式面照明装置であって、
   前記光反射面部材は、前記ＬＥＤコリメータ側が低く、当該ＬＥＤコリメータから離れるに従い漸次高くなる片スロープ形をなし、前記ＬＥＤコリメータ側の低部上面に前記ＬＥＤコリメータから出て当該低部上面に他の部分よりも散乱特性が低い狭角散乱部を設けたことを特徴とする中空式面照明装置。
3. 前記発光面部材は、前記光反射面部材に対向する裏面側が平滑面にされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の中空式面照明装置。

Images