JP4754846B2

JP4754846B2 - 液晶表示装置

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Publication number: JP4754846B2
Application number: JP2005052577A
Authority: JP
Inventors: 泰生山口
Original assignee: Kyocera Display Corp
Current assignee: Kyocera Display Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: JP2006235436A

Description

本発明は液晶表示装置に関し、特に、複数の点光源を有するライトユニットを備える液晶表示装置に関する。

現在、表示装置は、人と機械とをつなぐインターフェースとして広く使用され、目ざましい進展を果たしている。液晶表示装置（ＬＣＤ）は、低消費電力・薄型・軽量などの利点を有することから、ＰＣや携帯端末機器などの表示装置として幅広く応用されている。

通常、透過型の液晶表示装置において、液晶パネルの反視認側にはバックライトユニットが配置される。このバックライトユニットは、典型的には、光源と、その光源の光を効果的に液晶パネルに出射するための複数の光学部材を有している。このバックライトユニットとしては、薄型化が容易であることから、線状もしくは点状の光源を、アクリル樹脂などからなる透明な板状の導光板の側端面（以下、光入射面とする。）に沿って取り付けたサイドライト型のものが主流となっている。

このようなサイドライト型のバックライトユニットは、導光板の光入射面から照明光を入射し、導光板の内部で繰り返し反射させてこの照明光を伝搬させると共に光出射面より出射させることにより、光源の照明光を利用して面状光を生成するようになされている。

光源としては、従来、蛍光管が用いられてきた。しかし、環境問題への配慮、寿命の長さ及び発光のよさから発光ダイオード（以下、ＬＥＤとする。）が用いられるようになってきている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
特開平２００２−２５８２８１号公報特開２００５−２６０７７号公報

ところで、上述した透過型の液晶表示装置は、通常、オフィスなどの一定の明るさの環境下で使用されることが多い。したがって、従来、バックライトユニットの輝度は一定に設定されていた。

しかしながら、近年、携帯電話やカーナビゲーションシステムなどの普及に伴い、液晶表示装置は様々な明るさの環境において良好な表示を行うことが要求されている。例えば、カーナビゲーションシステムに用いられる車載用の液晶表示装置においては、昼間などの明るい環境下では、５００ｃｄ／ｍ^２の高輝度が要求されている。一方、夜間などの暗い環境下では、昼間と同じ輝度とするとまぶしすぎるため、昼間の輝度の１／５０〜１／１００の低輝度に落とす必要がある。

ＬＥＤを用いたバックライトユニットでは、それぞれのＬＥＤに供給する電流を変えることによってＬＥＤの光度を変化させ、輝度を調整することが可能である。しかし、上述のような低輝度にするように供給する電流を下げていくと、ＬＥＤが点灯しなくなるという問題があった。また、点灯した場合でも、表示面上に輝度ムラが発生してしまう。

また、広く知られているように、ＬＥＤから出射される光の色度は供給する電流の値によって変化してしまう。このため、液晶表示装置の表示性能が劣化してしまうという問題も生じる。

本発明は上記のような事情を背景になされたものであって、本発明の目的は、簡易な構成で輝度を変化させることができる液晶表示装置を提供することである。

本発明の第１の態様にかかる液晶表示装置は、液晶パネルと、前記液晶パネルに光を照射するライトユニットを備える液晶表示装置であって、前記ライトユニットは、側端面から入射した光を面全体に導いて前記液晶パネルに照射する導光板と、前記導光板の側端面に対向して配置された複数の高光度点光源と、前記高光度点光源の間に配置された低光度点光源とを備え、前記低光度点光源がオンしている状態で前記高光度点光源をオフすることができるよう、前記高光度点光源のオン／オフを制御することができるものである。このような構成を有することによって、ライトユニットの輝度を調節することができる。

本発明の第２の態様にかかる液晶表示装置は、上記の液晶表示装置において、前記低光度点光源が隣接する前記高光度点光源の間に複数配置されているものである。このような構成を有することによって、輝度ムラを抑制することができる。

本発明の第３の態様にかかる液晶表示装置は、上記の液晶表示装置において、前記高光度点光源がオンしている状態で前記低光度点光源をオフすることができるよう、前記低光度点光源のオン／オフを制御することができるものである。これによって、消費電力を抑制することができる。

本発明の第４の態様にかかる液晶表示装置は、上記の液晶表示装置において、前記高光度点光源及び前記低光度点光源は、前記導光板の側端面の長手方向に沿って一列に配置されているものである。このような構成を有することによって、従来用いられてきた導光板などの光学部材をそのまま利用することが可能である。

本発明の第５の態様にかかる液晶表示装置は、上記の液晶表示装置において、前記高光度点光源及び前記低光度点光源のうち同じ光度の点光源がそれぞれ前記導光板の側端面の長手方向の中心線に対して対称に配置されるものである。これによって、さらに表示特性を向上させることができる。

本発明の第６の態様にかかる液晶表示装置は、上記の液晶表示装置において、前記高光度点光源及び前記低光度点光源は、周囲の明るさに応じてオン／オフが切り替わるものである。このような構成を有することによって、周囲の明るさに適合したライトユニットの輝度が選択され、表示特性を向上させることができる。

本発明によって、簡易な構成で輝度を変化させることができる液晶表示装置を提供することができる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施の形態を説明するものであり、本発明が以下の実施の形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施の形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。なお、各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略されている。

図１を参照して、本発明の実施の形態にかかる液晶表示装置について説明する。図１は、本発明の液晶表示装置の一例の全体構成を説明するための分解斜視図である。図１は、サイドライト型のバックライトユニットを有する液晶表示装置１００の概略を示している。図１に示すように、液晶表示装置１００は、バックライトユニット１０１と、液晶パネル１０２、ソースドライバ１０３、ゲートドライバ１０４、ホルダ１０５を有している。ここでは、液晶パネル１０２としてアクティブマトリクス型の液晶パネルを用いた例について説明する。

バックライトユニット１０１は、面状の光を液晶パネル１０２に照射する。液晶パネル１０２は、ソースドライバ１０３、ゲートドライバ１０４によって駆動され、バックライトユニット１０１からの光の透過を制御することによって、画像を表示する。ホルダ１０５は、液晶パネル１０２とバックライトユニット１０１を外側から保持、保護するものである。ホルダ１０５は、樹脂もしくは金属などによって形成される。

液晶パネル１０２は、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）アレイ基板（不図示）と対向配置される対向基板（不図示）との間に液晶を挟持した構成を有している。ＴＦＴアレイ基板には、水平方向にゲート線（走査線）、垂直方向にソース線（信号線）がそれぞれ形成されており、ゲート線とソース線の交差点付近にはＴＦＴが設けられている。また、ゲート線とソース線との間にマトリクス状に形成された複数の画素電極を有している。ＴＦＴのゲートがゲート線に、ソースがソース線に、ドレインが画素電極に、それぞれ接続される。

ＴＦＴアレイ基板及び対向基板の間は、ビーズスペーサや、柱状スペーサによって、所定の間隔になるように維持されている。ＴＦＴアレイ基板の外側表面と、対向基板の外側表面のそれぞれには、偏光板が貼着されている。例えば、液晶パネルの典型的な例であるＴＮ型の液晶パネルにおいては、反視認側、視認側の偏光板は、それぞれの透過軸が垂直もしくは平行となるように配置される。

一方、対向基板上にはコモン電極及びＲ（赤）、Ｇ（緑）Ｂ（青）のカラーフィルタが形成されている。コモン電極は、実際には画素電極と対向するように対向基板の略全面に形成される透明電極である。

また、液晶パネル１０２は、複数の画素から構成される表示領域とその周囲に形成された周辺領域とを有している。周辺領域にはソースドライバ１０３、ゲートドライバ１０４が接続される。ソースドライバ１０３及びゲートドライバ１０４は、典型的には、ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）によってアレイ基板に接続されるが、ＣＯＧ（Chip On Glass）によってアレイ基板上に直接に設けられることもある。

各ゲート線には走査信号が供給され、各走査信号によって選択された１つのゲート線に接続されているすべてのＴＦＴが同時にオンとなる。そして、各ソース線に表示データ信号に応じた階調電圧が供給され、画素電極に電荷が蓄積される。

電荷が蓄積された画素電極とコモン電極との電位差に応じて、画素電極−コモン電極間の液晶の配列が変化する。反視認側の偏光板を透過した直線偏光は、液晶によって偏光方向が制御され、視認側偏光板を透過する光の透過率が制御される。液晶表示パネル１０１の各画素は、透過する光量に応じた色の濃淡とＲＧＢいずれかの色表示によりさまざまな色合いの表示を行う。なお、モノクロ表示の場合は、カラーフィルタを設けなくてもよい。

液晶パネル１０２は、上記のアクティブマトリクス型の他に、スイッチング素子を有していない単純マトリクス型などが知られている。この他、液晶パネルの型式として、ＴＮ（Twisted Nematic）型液晶パネル、ＳＴＮ（Super Twisted Nematic）型の液晶パネル、画素電極とコモン電極が同一基板上に形成されたＩＰＳ（In Plane Switching）型の液晶パネルなどが知られている。本発明は、これらのような様々な型式の液晶パネルに適用可能である。

バックライトユニット１０１は、視認側から、拡散シート１０６、プリズムシート１０７、導光板１０８、反射シート１０９の順に積層されて配置されている。また、バックライトユニット１０１は、サイドライト型であり、光源である複数のＬＥＤ（Light Emitting Diodes）を導光板１０８の側端面（以下、光入射面とする）に沿って一列に配置したＬＥＤ光源１１０を有する。ここでは、高光度ＬＥＤ１１０ａが６個、低光度ＬＥＤが１０個、配置されている例を示す。本発明において、注目すべき点はＬＥＤ光源１１０であり、これについては後に詳述する。

拡散シート１０６、プリズムシート１０７、導光板１０８、反射シート１０９、ＬＥＤ光源１１０は、フレーム１１１内に収容されている。導光板１０８の視認側表面の４つのコーナーにはL字凸状の位置決め部（不図示）が形成されており、拡散シート１０６、プリズムシート１０７及び液晶パネル１０２は、位置決め部と嵌合して導光板１０８上に配置されている。

拡散シート１０６は、入射光を拡散させて出射する。拡散シート１０６としては、例えば、基材シートの表面にビーズなどの光拡散剤を分散させたバインダーを塗布したもの、光拡散剤を分散させた光拡散層が基材シート表面に積層されたものや、合成樹脂製の基材シートの成形時に表面にエンボス加工などを施すことによって、基材シートの表面に複数の凹凸が形成されているものなどの従来のものを用いることができる。

プリズムシート１０７は、光を集光することにより表示正面の輝度を向上させる。プリズムシート１０７は、例えばポリエチレン・テレフタレートなどの基材フィルムの上に有機樹脂で凹凸構造を形成するによって構成することができる。このプリズムシート１０７は、典型的には、複数の断面三角形状のプリズム構造部や異方性回折格子などが形成されている。ここでは、１枚しか図示していないが、プリズムシートを２枚一組で使用し、各プリズムシートの稜線部が直交するように配置されてもよい。

ＬＥＤ光源１１０は、上述したように導光板１０８の光入射面に沿ってＬＥＤが一列に配列するように配置される。導光板１０８は、ＬＥＤ光源１１０からの光を導き拡散させ、面状光を出射する。導光板１０８の反視認側にはドットパターンが設けられている。このドットパターンは、ドット印刷あるいは加工処理によって形成される。あるいは、導光板の背面に凹凸構造が設けられていてもよい。

反射シート１０９は、導光板１０８の反視認側から出射した光を導光板１０８に再入射させる。この反射シート１０９は、導光板１０８の反視認側に設けられている。この反射シート１０９としては、白色顔料を含む塗料からなるもの、微細な樹脂中空粉末を塗布したものなど、従来のものを用いることができる

ここで、バックライトユニット１０１の光学作用について説明する。導光板１０８の背面には、ドットパターンが形成されている例を示す。ＬＥＤ光源１１０からの光は導光板１０８内に入射し、全反射を繰り返しながら導光板１０８内を伝播する。ドットパターンによって全反射条件を満たさなくなった一部の光は、導光板１０８の光出射面から視認側に出射される。また、一部の光は導光板１０８の反視認側から出射して反射シート１０９によって反射され、導光板１０８内に再入射する。導光板１０８の光出射面からの光は、プリズムシート１０７によって液晶パネル１０２の表示面と垂直な方向に集光され、拡散シート１０６に入射する。拡散シート１０６は、入射光を拡散させて視認側に出射する機能を有する。

ここで、図２を参照して、本実施の形態にかかるＬＥＤ光源１１０について説明する。図２は、図１の液晶表示装置１００を視認側から見た模式図である。図２において、積層されて見えない部分の構成要素の図示は省略している。また、説明のために、ホルダ１０５の図示を省略している。

本実施の形態にかかるＬＥＤ光源１１０において、光源として使用するＬＥＤは光度の異なる２種類のＬＥＤを使用する。例えば、図２に示すように、高光度ＬＥＤ１１０ａを６個、低光度ＬＥＤ１１０ｂを１０個組み合わせて使用する。高光度ＬＥＤ１１０ａとしては、例えば、７インチの液晶表示装置において、高光度ＬＥＤ１１０ａを６個使用し５００ｍＡの電流を供給すると、５００ｃｄ／ｍ^２の液晶表示装置の輝度が得られるものを用いることができる。また、低光度ＬＥＤ１１０ｂとしては、低光度ＬＥＤ１１０ｂを１０個使用し５ｍＡの電流を供給すると、２０ｃｄ／ｍ^２の液晶表示装置の輝度が得られるものを用いることができる。

また、高光度ＬＥＤ１１０ａ及び低光度ＬＥＤ１１０ｂへ電源を供給する配線はそれぞれ別々に形成されており、高光度ＬＥＤ１１０ａ及び低光度ＬＥＤ１１０ｂをそれぞれ独立にオン／オフ制御することができる。

高光度ＬＥＤ１１０ａ及び低光度ＬＥＤ１１０ｂは、導光板１０８の光入射面に沿って一列に配列されている。このように従来のサイドライト型の光源と同様に、ＬＥＤ光源１１０を１つの辺に配置するので、複雑な光学設計が必要ない。また、導光板１０８、プリズムシート１０７などの他の光学部材としては、従来のものを使用することが可能である。

また、高光度ＬＥＤ１１０ａ及び低光度ＬＥＤ１１０ｂの発光面は、導光板１０８側に配置される。すなわち、それぞれのＬＥＤの発光面は光入射面に対向するように配置される。導光板１０８の光入射面とそれぞれのＬＥＤの発光面とは平行になる。したがって、それぞれのＬＥＤから出射される光のロスを最小限に抑えることができる。

また、一般的に高光度ＬＥＤ１１０ａは、低光度ＬＥＤ１１０ｂよりもサイズが大きい。したがって、図３に示すように、光入射面に矩形状の切り欠き部１１２が設けられた導光板１０８を用いてもよい。この場合、切り欠き部１１２に高光度ＬＥＤ１１０ａを１個配置し、切り欠き部１１２以外のところに低光度ＬＥＤ１１０ｂを配置することができる。このようにすることによって、液晶表示装置を狭額縁化することが可能である。また、それぞれのＬＥＤの発光面は導光板１０８の光入射面に対向するように配置されるため、ＬＥＤから出射される光のロスを低減できる。

また、隣接する２個の高光度ＬＥＤ１１０ａの間に２個の低光度ＬＥＤ１１０ｂが配置される。そして、高光度ＬＥＤ１１０ａと２個の低光度ＬＥＤ１１０ｂとは交互に配置される。また、ＬＥＤ光源１１０の両端には高光度ＬＥＤ１１０ａが配置される。すなわち、高光度ＬＥＤ１１０ａと低光度ＬＥＤ１１０ｂのうち同じ光度のＬＥＤがそれぞれ導光板１０８の光入射面の長手方向の中心線Ａ−Ａに対して対称に配置される。これによって、バックライトユニット１０１の輝度ムラを抑制することができる。

また、高光度ＬＥＤ１１０ａ及び低光度ＬＥＤ１１０ｂは、そのオン／オフが制御可能となっている。したがって、昼間のように周りが明るいときには、高光度ＬＥＤ１１０ａをオンとし、低光度ＬＥＤ１１０ｂをオフとする。これによって、液晶表示装置１００の輝度を５００ｃｄ／ｍ^２にすることができ、見やすい状態とすることができる。

一方、夜間のように周りが暗いときには、高光度ＬＥＤ１１０ａをオフとし、低光度ＬＥＤ１１０ｂをオンとする。これによって、液晶表示装置１００の輝度を２０ｃｄ／ｍ^２にすることができ、見やすい状態とすることができる。このように、周りの明るさに応じてＬＥＤ光源１１０から出射する光の光度を変化させることができ、それぞれの明るさに適合した良好な表示を提供することができる。

また、従来カーナビゲーションシステムなどの表示装置として、液晶表示装置を用いた場合、夜間においては液晶パネルの表示を白黒反転させることによって、視認される輝度を低くしていた。例えば、地図表示を行う場合、昼間は白の背景に黒の画像表示を行い、夜間は黒の背景に白の画像表示を行っていた。この場合、バックライトユニットの輝度は、昼間も夜間も同じであった。

しかし、本発明では、夜間において用いる低光度ＬＥＤ１１０ｂの駆動に必要な電流は、昼間において用いる高光度ＬＥＤ１１０ａの駆動に必要な電流よりも小さいため、消費電力を抑制することができる。

また、昼間においては、高光度ＬＥＤ１１０ａと低光度ＬＥＤ１１０ｂの両方をオンとしてもよい。このようにすることによって、液晶表示装置１００の画面をより明るくすることができる。また、低光度ＬＥＤ１１０ｂは常時オン状態とするため、ＬＥＤへの電源制御回路の構成を簡易なものとすることができる。

周知のように、ＬＥＤは光度が高いほど、光の照射角が大きくなる。このため、低光度ＬＥＤ１１０ｂの照射角は、高光度ＬＥＤ１１０ａの照射角よりも小さくなる。また、一般的にＬＥＤから出射される光は、指向性が高く、発光面の直前が明るく、放射角度が大きくなる及び距離が長くなるにつれて暗くなる。本発明においては、高光度ＬＥＤ１１０ａよりも低光度ＬＥＤ１１０ｂの数を多く配置している。したがって、夜間において、低光度ＬＥＤ１１０ｂのみをオンとした場合であっても、均一な輝度分布の面状光を液晶表示パネル１０２に照射することができ、良好な表示を提供することができる。

上述したように１個の高光度ＬＥＤ１１０ａと、２個の低光度ＬＥＤ１１０ｂとは交互に配置され、同じ光度のＬＥＤがそれぞれ導光板１０８の光入射面の長手方向の中心線Ａ−Ａに対して対称に配置されている。これによって、さらに輝度ムラを抑制でき、表示特性を向上させることができる。

また、本発明にかかる液晶表示装置１００を車のカーナビゲーションシステムに用いられる表示装置として用いた場合、車のライトのオン／オフにあわせて高光度ＬＥＤ１１０ａ及び低光度ＬＥＤ１１０ｂのオン／オフが切り替わるようにしてもよい。

また、周囲の明るさを測定するセンサを設け、自動的に高光度ＬＥＤ１１０ａ及び低光度ＬＥＤ１１０ｂのオン／オフが切り替わるようにすることも可能である。図４に、ＬＥＤ電源制御回路１１３を示す。ＬＥＤ電源制御回路１１３は、センサ１１４と、判定部１１５と、高光度ＬＥＤ１１０ａ用の電源１１６ａと、低光度ＬＥＤ１１０ｂ用の電源１１６ｂとを備えている。このセンサ１１４は、光を検出する光センサであり、液晶表示装置１００の外部に設けられている。そして、液晶表示装置１００の周囲の光を検出して、明るさを測定する。

このＬＥＤ電源制御回路１１３を用いてそれぞれのＬＥＤのオン／オフを自動制御する場合、まず、センサ１１４は周囲の明るさを測定し、測定信号を判定部１１５に転送する。判定部１１５では、測定信号に基づいて、高光度ＬＥＤ１１０ａ及び低高度ＬＥＤ１１０ｂのいずれをオンとするかを判定し、判定信号を高光度ＬＥＤ用電源１１６ａ及び低光度ＬＥＤ用電源１１０ｂに供給する。そして、高光度ＬＥＤ用電源１１６ａ及び低光度ＬＥＤ用電源１１６ｂは、判定信号に基づいて、高光度ＬＥＤ１１０ａ又は低光度ＬＥＤ１１０ｂ、あるいはその両方に所定の電流を供給する。

大型の液晶表示装置に適用する場合、所望の輝度を得るために、導光板の隣り合う２側端面に、Ｌ字型にＬＥＤ光源１１０を配置する場合がある。このような場合にいても、図５に示すように、ＬＥＤを配置するそれぞれの辺の中心線Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂに対して対称になるように、導光板１０８の光入射面に沿って高光度ＬＥＤ１１０ａと、それよりも数が多い低光度ＬＥＤ１１０ｂとを交互に配置すればよい。また、導光板の対向する２辺にＬＥＤ光源を配置する場合についても同様に適用することが可能である。

以上は、液晶パネル１０２の反視認側から光を照射するバックライトユニットを備えた液晶表示装置１００について説明したが、これに限定されるものではない。本発明は、液晶パネルの視認側にライトユニットを配置するフロントライトユニットを備えた液晶表示装置にも適用可能である。

実施の形態にかかる液晶表示装置の構成を示す分解斜視図である。実施の形態にかかる液晶表示装置のＬＥＤ光源の配置を説明する模式図である。実施の形態にかかる液晶表示装置のＬＥＤ光源の他の配置を説明する模式図である。実施の形態にかかるＬＥＤ光源の電源制御回路を示す図である。実施の形態にかかる液晶表示装置のＬＥＤ光源の他の配置を説明する模式図である。

符号の説明

１００液晶表示装置
１０１バックライトユニット
１０２液晶パネル
１０３ゲートドライバ
１０４ソースドライバ
１０５ホルダ
１０６拡散シート
１０７プリズムシート
１０８導光板
１０９反射シート
１１０ＬＥＤ光源
１１０ａ高光度ＬＥＤ
１１０ｂ低光度ＬＥＤ
１１１フレーム
１１２切り欠き部
１１３ＬＥＤ電源制御回路
１１４センサ
１１５判定部
１１６ａ高光度ＬＥＤ用電源
１１６ｂ低高度ＬＥＤ用電源

Claims

液晶パネルと、前記液晶パネルに光を照射するライトユニットを備える液晶表示装置であって、
前記ライトユニットは、
側端面から入射した光を面全体に導いて前記液晶パネルに照射する導光板と、
前記導光板の側端面に対向して配置された複数の高光度点光源と、
前記高光度点光源の間に配置された低光度点光源とを備え、
前記低光度点光源がオンしている状態で前記高光度点光源をオフすることができるよう、前記高光度点光源のオン／オフを制御することができるものであり、
前記低光度点光源が隣接する前記高光度点光源の間に複数配置されている液晶表示装置。
前記高光度点光源がオンしている状態で前記低光度点光源をオフすることができるよう、前記低光度点光源のオン／オフを制御することができる請求項１に記載の液晶表示装置。
前記高光度点光源及び前記低光度点光源は、前記導光板の側端面の長手方向に沿って一列に配置されている請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
前記高光度点光源及び前記低光度点光源のうち同じ光度の点光源がそれぞれ前記導光板の側端面の長手方向の中心線に対して対称に配置される請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
前記高光度点光源及び前記低光度点光源は、周囲の明るさに応じてオン／オフが切り替わる請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示装置。