JP2005085718A - 面状発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光利用効率の高い面状発光装置を提供する。
【解決手段】 導光板の一端部に発光素子を埋入するとともに、前記一端部の表面に密着した状態で反射面を形成し、そして前記端部の表面の少なくとも一部が、その上に形成された前記反射面によって、受光する前記発光素子の光を前記導光板の他端側へと反射できる二次又は高次曲面とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は面状発光装置に関する。詳しくは、発光素子の光を面状光に変換する面状発光装置に関する。

発光素子の光を導光板によって面状の光に変換する面状発光装置が、液晶モニタや携帯電話のバックライトなど様々な用途に利用されている。このような面状発光装置では、導光板の端面に対向するように発光素子が配置され、発光素子の光は導光板の端面を介して導光板内へと取り込まれる。一般に、光の導入効率を高めるために発光素子は導光板の端面にできるだけ近接して配置される。しかし、いくら近接して発光素子を配置したとしても、入射面となる導光板端面が平面であるため、臨界角を越える光、即ち浅い入射角の光は入射の際に導光板端面で反射されてしまう。このような反射現象によって一部の光を有効に利用できず、十分な輝度の面状光を得られないという問題があった。
一方、特開２００２−２６０４２３号公報（特許文献１）や特表２００２−５３８５７７号公報（特許文献２）に開示される面状発光装置では、発光素子を導光板に組み込むことによって、上記のような導光板への導入の際に生ずる光のロスをなくし、光の利用効率を高めている。

特開２００２−２６０４２３号公報 特表２００２−５３８５７７号公報

導光板内に発光素子を組み込むことにした場合であっても、発光素子の光は広がりを有することから、面状発光に有効に利用できる方向に向かって全ての光が進行することはなく、一部の光は発光に寄与できない。そこで本発明は、従来の構成では利用できないこのような光を有効に利用できる、光利用効率の高い面状発光装置を提供することを目的とする。

本発明は以上の目的を達成するために、以下の構成を提供する。即ち、
発光面を有する導光板と、
前記導光板の端部に埋入されている発光素子と、
前記端部の表面に密着した状態で備えられる反射面と、を備え、
前記端部の表面の少なくとも一部が、そこに到達する前記発光素子の光を前記反射面によって前記導光板の他端側へと反射できる二次又は高次曲面からなる、面状発光装置である。

本発明では、発光素子が導光板の端部に埋入されていることから、発光素子の光は実質的なロスのない状態で導光板内へと導入される。しかも、発光素子から放出された光の中で、発光素子が配置される側の導光板端部の表面方向へ進行した光が、当該端部表面に設けられる反射面によって反射されて導光板の他端側へ向かう光に変換される。即ち、反射面の作用によって、導光板の他端側へと直接向かうことのできない光の外部漏出が防止されるとともに、良好な導光作用に寄与できる光が生ずる。このように、本発明の構成によれば、導光板への導入の際の光のロスが実質的にないことに加えて、導光板に導入された光のより多くを面状光に利用できることから高い光利用率を達成できる。

本発明では導光体を板状に成形した導光板が使用される。典型的には平板状の導光板が使用されるが、平板状を基本として一部に凹凸を形成した形状や、一端側から他端側に向かって厚さが連続的又は段階的に変化する形状、或は略棒状の形状であってもよい。導光板には発光面が形成される。六面体からなる平板状の導光板を用いる場合を例に採れば、面積が最大の面のいずれか片方を発光面とすることができる。

導光板の端部（以下、「光導入部」ともいう）には後述の発光素子が埋入される。このように、本発明は導光板内に発光素子が直接組み込まれていることを一つの特徴とする。
導光板の光導入部の表面には、そこに密着した状態で反射面が備えられる。光導入部の表面の一部は、そこに到達する前記発光素子の光をこの反射面によって前記導光板の他端側へと反射できる二次又は高次曲面形状となっている。このような構成によって、発光素子の光の中で導光板の他端側へと進行せずに光導入部の表面方向へと進行した光の有効利用が図られる。

光導入部の具体的な形状としては例えば、発光素子の光軸を通り且つ導光板の発光面に垂直な断面において光導入部の外周が、部分放物線、部分楕円、若しくは部分双曲線、又はこれらの組み合わせによって規定されるものを挙げることができる。この中でも好ましいものとして部分放物線を挙げることができる。特に好ましい一態様として、本発明では上記のごとき断面における光導入部の外周が部分放物線となる光導入部（この場合には光導入部の外形が放物柱面又は放物面の一部を含むこととなる）が採用され、当該部分放物線の焦点位置に発光素子が配置される。この態様では光導入部の上に形成される反射面の作用によって、発光面に略平行な光を反射光として得ることが可能となる。このような反射光は導光板内を良好に導光し、最終的に得られる面状光の輝度上昇及び輝度ムラの軽減に寄与する。
尚、光導入部において一部を平坦な面としてもよい。例えば、後述の実施例に示すように光導入部の発光面側の外形を平面としてもよい。

ここで、光源の光量が十分でない場合や、十分な導光作用が得られない場合などでは導光板内の光の分布にムラが生ずる惧れがある。例えば、光源から離れた領域で光量が低下し、その結果導光板の発光面から放射される光において輝度ムラが発生する惧れがある。このような場合には導光板の二箇所以上の端部に光導入部を設けてもよい。

反射面は、光導入部の表面に密着した状態で形成される。かかる構成を採用することによって反射面による良好な反射作用が奏される。光導入部表面の全体に反射面を設け、光導入部から外部へと漏出する光の量をできるだけ少なくすることが好ましい。反射面は光反射性材料の蒸着や塗布などによって形成することができる。光反射性材料としては例えばＡｌ、Ａｇなどの金属材料を挙げることができるが、発光素子の光に対して反射率が高い材料であれば特にその種類は問わない。少なくとも貼付面が光反射性材料からなるテープやフィルム（例えば白色材料性のテープ）を光導入部の表面に貼付することによって反射面を形成してもよい。

光導入部以外の部分（但し発光面を除く）においても、その表面上に反射面を形成してもよい。例えば、発光面以外の表面を全て反射面で被覆してもよく、このようにすれば発光面以外からの光の漏出を防止でき、光の利用効率の上昇が期待できる。尚、反射面を設ければ光の反射作用のみならず光の拡散作用も生ずる。したがって、導光板内での光の拡散が促進され、もって発光面からより均一な光の放射が可能となる。

以上のように発光素子が組み込まれた導光板は、インモールド成形によって簡便に作製することができる。具体的には、レンズ型ＬＥＤを作製するときと同様の要領で、所望の形状の金型を用意し、一端側に発光素子が封入されるようにして導光材料を硬化及び成形する。

導光板の材質は発光素子の光に対して透過性であれば特に限定されない。好ましくは透明（無色透明、有色透明を含む）な材料により導光板を構成する。また、加工が容易で耐久性に優れた材料により導光板を構成することが好ましい。導光板の材料としては例えば、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂、ガラス等を用いることができる。

導光板の発光面又は裏面（発光面と表裏の関係にある面）の表面に凹凸部を形成することができる。このような凹凸部は、導光板内での光の拡散を促進することや、導光板内の配光を制御して発光面からの良好な光の放出を可能にすることなどに利用される。ここでの凹凸には三角溝、角溝、丸溝などの溝形状、及びピット形状などが含まれる。異なる形状の凹凸を複数組み合わせて用いても良い。このような凹凸を連続的に形成することもでき、またドット状など不連続的に形成することもできる。また、規則的に形成されていてもランダムに形成されていてもよい。
このような凹凸部は針状あるいは鋸歯状の加工具を用いて導光板の表面の一部を削り取ることや、導光板の表面にカッティング処理や研磨処理などを施すことにより形成することができる。または所望の凹凸部が形成されるような型を用いた型成形によって導光板を作製することによっても、このような凹凸部を形成することができる。

導光板にシリカなどの光拡散剤を含有させ、導光板内での光の拡散を促進させてもよい。光拡散剤を使用する場合には、発光素子から遠い領域ほど光拡散剤の含量が多くなるようにすることが好ましい。光の到達量が減少する領域において拡散効率が上昇し、輝度ムラが軽減されるからである。

導光板の裏面に光拡散層を形成することもできる。かかる光拡散層は、導光板内の光を発光面方向の光へと変換すること、及び導光板内の光の分布を均一化することを目的として形成される。輝度ムラの少ない光を発光面から放出するために、導光板裏面の実質的な全面に光拡散層を形成することが好ましい。但し、平面視において所定のパターンが形成されるように、導光板裏面の一部に光拡散層を形成することもできる。ここでのパターンとしては不規則的なものでもよいが、光拡散層全体に亘って均一な光の反射及び拡散を行い、これによって光放射面から輝度ムラのより少ない光を照射すべく、規則的なものを採用することが好ましい。規則的なパターンとしては所望の大きさのドットがマトリックス状に形成されるもの、スリット状のパターン、格子状のパターンなどを例示できる。

導光板の裏面に、光導入部から遠ざかるにつれて発光面側にテーパーする面を形成することができる。導光板の裏面全体をこのようなテーパー面とすることもできる。例えば、導光板の上端部を光導入部とする場合において導光板の裏面を、導光板の上端部から下端部に向かってテーパーする面とする。導光板の裏面をこのようなテーパー面とした場合において、例えば発光素子をその光軸が導光板発光面に平行となるように配置すれば、導光板裏面において光導入部からの距離が遠い領域でも光が到達しやすくなる。したがって、光導入部からの距離が遠くても受光量の低下が少なくなる。このように、発光面から放出される光の輝度分布がほぼ均一化されることとなる。

発光素子としては半導体発光素子（ＬＥＤ）が好適に使用される。ＬＥＤは消費電力及び発熱量が小さくかつ長寿命であることから、長時間連続的に点灯させることに適した光源である。また、小型であるため光源用のスペースが少なくてすみ、本発明の面状発光装置の小型化、薄型化が可能となる。これにより面状発光装置のハンドリング性も向上する。またＬＥＤは振動、衝撃に強いことから、信頼性の高い面状発光装置を構成できるといった利点もある。
採用する光源の発光色も特に限定されず、白、赤、橙、緑、青等の可視領域の光を発光する光源を採用できる。好ましい光源としては、白色光を発光するものを挙げることができる。白色光を発光する光源を採用すれば、照明対象に表示された数字、文字、図形、バックグラウンドなどが本来の色で観察（視認）されるように構成できるからである。一方、白色以外の色の光源を用いれば、例えば照明対象を加色するなど、照明対象の意匠を変化させたり、意匠性を高めたりすることもできる。

紫外領域の光を発光する光源を用いることもできる。この場合には、紫外領域の光を受けて蛍光する蛍光体を併せて用いることができる。尚、可視領域及び紫外領域の光を発光可能な発光素子を用いてもよい。
蛍光体を用いる場合には、例えば蛍光体を含む層を導光板表面（例えば発光面の表面）に設けることができる。このような蛍光体を含む層は蛍光体含有インク若しくは塗料の印刷、塗布などにより、又は蛍光体を含むシートの貼着などによって形成することができる。また、蛍光体を導光板内に含有させることができる。このような構成では導光板内で蛍光が生じ、この蛍光が導光板の発光面から放射することによって照明が行われる。蛍光体を導光板内に含有させる場合には、特に有機系の蛍光体を用いることが好ましい。有機系の蛍光体を用いれば導光板の透明性を維持でき、クリアー感のある照明効果が得られるからである。

蛍光体の種類は特に限定されず、有機系、無機系を問わず採用することができる。有機系の蛍光体を用いることにより、上記のようにクリアー感のある蛍光色の光を得ることができる。他方、無機系の蛍光体を用いると、艶消し感のある蛍光色の光を得ることができる。様々な蛍光色を有する蛍光体を採用することができ、例えば光の三原色である赤色、緑色、又は青色の蛍光色を有する蛍光体の他、それらの中間色を蛍光する蛍光体を用いることができる。複数の蛍光体を組み合わせて用いることもでき、例えば赤色系蛍光体、緑色系蛍光体、及び青色系蛍光体を混合して用いることができる。

本発明では必要に応じて複数個の発光素子が使用される。複数個の発光素子を使用する場合には、同種の発光素子を複数用いても、又は発光色などが異なる発光素子を組み合わせて用いてもよい。複数個の発光素子を用いることにより、発光面積のより広い面状発光装置を構成でき、また輝度の増強を図ることができる。尚、発光素子の使用数は、各発光素子の輝度、導光板の大きさ、必要な輝度等を総合的に考慮して定めることができる。
複数個の発光素子を用いる応用例として、赤色系ＬＥＤ、緑色系ＬＥＤ、青色系ＬＥＤの３種を用いて白色光を得る態様を挙げることができる。この態様では各ＬＥＤの発光状態、発光量を制御すれば、所望の色の面状光が得られる。
複数個の発光素子を用いる場合には例えば、導光板の光導入部において一端側から他端側に向かって一列に各発光素子が配置される。尚、複数の発光素子を用いる場合の配置態様は特に限定されるものではなく、面状発光装置に求められる発光態様を考慮して自由に設計できる。

発光素子は、その光軸が所定の方向を向くように導光板内に配置される。例えば、導光板の発光面に光軸が略平行となるように発光素子を配置することができる。このように配置すれば良好な導光作用が得られる。後述の実施例に示すように、光導入部において導光板の裏面側方向に光軸が位置するように発光素子を配置してもよい。

以下、実施例を用いて本発明の構成をより詳細に説明する。図１は本発明の実施例である面状発光装置１を示す図であって、図１ａは面状発光装置１の斜視図、図１ｂは図１ａのＡ−Ａ線断面図である。面状発光装置１は例えば液晶モニタのバックライトに利用される。
面状発光装置１は導光板１０及び発光素子構造２０を備える。導光板１０はアクリル樹脂製であって、略平板状の形状を有する。導光板１０の一端部（光導入部１１）には３つの発光素子構造２０が埋入されている。導光板１０の裏面１３は、光導入部１１側から他端１４側に向かって次第に発光面１２に近づくようにテーパーしている。尚、導光板１０の発光面１２及び裏面１３は共に全体に渡って平坦な面である。
導光板１０の光導入部１１は部分放物柱形状に成形されている。詳細には、図１ａにおけるＡ−Ａ線位置での断面（図１ｂ）においては、光導入部１１の外形が放物線形状となる（外周が放物線によって規定されている）。光導入部１１の表面、導光板裏面１３の表面、及び導光板端面１４の表面には、光反射率の高い金属の蒸着による反射面３０が形成されている。一方、発光面１２の表面は鏡面状となっている。

各発光素子構造２０は、ＬＥＤ２１、マウントフレーム２２、及びリードフレーム２３からなる。ＬＥＤ２１は青色系の発光色を有するＬＥＤである。ＬＥＤ２１は、その光軸が導光板１０の発光面１２と平行でかつ導光板１０の両側面１５、１６とも平行となる状態で、マウントフレーム２２のカップ状部に載置・固定されている。尚、光導入部１１の外形を規定する放物線の焦点位置にＬＥＤ２１が配置されるように、マウントフレーム２２の位置が設定されている。
マウントフレーム２２のカップ状部には黄色系の蛍光を発する蛍光体を分散させた光透過性樹脂２５が充填されている。各ＬＥＤ２１はマウントフレーム２２及びリードフレーム２３を介して給電される。尚、マウントフレーム２２及びリードフレーム２３は、図示しない回路基板に接続されている。

以上の構成の面状発光装置１では、ＬＥＤ２１が点灯するとまず青色系の光が生ずる。この光の一部はＬＥＤ２１の周囲に存在する蛍光体の励起に利用され、黄色系の光を発生させる。これによって青色系の光と黄色系の光とが混色して得られる白色系の光が導光板１０に導入されることとなる。導入光の中でその放射角度がＬＥＤ２１の光軸を基準として一定角度範囲内の光は、光導入部１１が形成される側と反対側の導光板端部１４側に向かって導光板１０内を進行する。そして、放射角度に応じて一部の光は発光面１２より直接外部に放射され、他の一部の光は導光板裏面１３に至る。導光板裏面１３に至った光は反射面３０による反射作用を受け、発光面１２方向の光へ変換される。これによって得られた光の中で一定の角度以上で発光面１２に入射する光は発光面１２を介して外部に取り出される。一方、発光面１２への入射角度が十分でない光は発光面１２による反射作用を受けて再び導光板裏面１３方向の光となる。このような反射現象が繰り返された後、発光面１２に対する入射角が一定の角度以上になった光から外部に取り出される。

一方、ＬＥＤ２１の光軸方向から大きくずれて放出された光（横方向に放出された光）は光導入部１１の表面方向へと進行し、光導入部１１の表面に形成された反射面３０によって反射される。上述のように、光導入部１１の表面が放物柱面形状であって、この放物柱面形状を規定する放物線の焦点位置にＬＥＤ２１が配置されていることから、反射面３０の作用によって生ずる反射光は、導光板発光面１２に対して平行ないし平行に近いものとなり、導光板１１内を良好に導光する。以上の作用によって、光の有効利用率が高まるとともに発光面１２から放射される面状光の輝度の均一化が図られる。

ここで、導入光の一部は直接又は光導入部１１での反射作用を受けた後に導光板裏面１３に至るが、導光板裏面１３上にも反射面３０が形成されているため、ここでの光の漏出が防止される。同時に反射面３０の反射・拡散作用によって、発光面１２側へ向かう光の生成が良好に行われるとともに導光板１０内での光密度分布が均一化され、高輝度かつ輝度ムラの少ない高品位の面状光が得られる。
また一方で導光板裏面１３をテーパー面としたことから、光導入部１１から離れた領域の導光板裏面１３における受光量の増大、及び当該領域における光の取出効率の向上が図られ、もって発光面１２から放出される面状光の輝度ムラが一層低減されることとなる。

本発明の他の実施例を図２に示す。図２ａは面状発光装置２の斜視図、図２ｂは図２ａのＢ−Ｂ線断面図、図２ｃは図２ａのＣ−Ｃ線断面図である。尚、上記図面における要素と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。上記の面状発光装置１と同様に、面状発光装置２も例えば液晶モニタのバックライトに利用される。
面状発光装置２は概略して導光板４０及び光源５０から構成される。導光板４０はアクリル樹脂製であって、略平板状の形状を有する。導光板４０の一端部（光導入部４１）には光源５０が組み込まれている。面状発光装置２では、光源５０が組み込まれる側の面が発光面４２となる。
導光板４０の光導入部４１は部分楕円柱形状に成形されている。詳細には、図２ａにおけるＢ−Ｂ線位置での断面（図２ｂ）においては、光導入部４１の外形が、発光面４２側から導光板裏面４３側にかけて楕円形状となる（外周が楕円によって規定されている）。光導入部４１において、光源５０の端部５０ａに対向するエッジ部４１ａもまた、その断面形状が楕円によって規定される形状となっている（図２ｃを参照）。

光源５０は、複数の発光素子部５１とリフレクタ５２とから構成される。リフレクタ５２は棒状に成形された白色系樹脂からなり、その一面側には一条の溝が形成されている。この溝内に複数の発光素子部５１が等間隔となるように一列に配置されている。各発光素子部５１は三個のＬＥＤ（赤系ＬＥＤ、緑系ＬＥＤ、青系ＬＥＤ）からなる。これらのＬＥＤの光の混色によって各発光素子部５１からは白色系の光が放出される。

以上の構成の面状発光装置２では、発光素子部５１の各ＬＥＤが点灯すると、リフレクタ５２の溝によって配光制御された白色光が放出される。この中で一部の光は、図２ｂに示すように、導光板裏面４３側へと進行する。このような光の中で光導入部４１の表面に至った光は反射面３０の作用によって反射されることとなるが、上述のように光導入部４１を楕円柱面状としたことから、導光板４０の他端４４側へ進行する光の生成が良好に行われる。一方、発光素子部５１から放出された光の中で、リフレクタ５２の溝に沿ってその長手方向に進行し、最終的にリフレクタ５２の端部５０ａから放出される光は光導入部４１のエッジ部４１ａに至る。ここで、当該エッジ部４１ａも楕円によって規定される外形とされていることから、ここにおいても図２ｃに示すように導光板他端４４側へと進行する光が良好に生成する。
以上の各作用によって、光の有効利用率が高まるとともに発光面４２から放射される面状光の輝度の均一化が図られる。

尚、上記の面状発光装置１と同様に、導光板裏面４３上などに形成された反射面３０による反射・拡散作用が奏され、これによって高輝度かつ輝度ムラの少ない高品位の面状光が得られる。また面状発光装置１と同様に、光導入部４１側から他端４４側に向かって次第に発光面４２に近づくように導光板裏面４３がテーパーしており（図２ｂを参照）、これによって発光面４２を介して放出される面状光の輝度ムラが一層低減されることとなる。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

本発明の面状発光装置の適用対象（照明対象）としては例えば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）や携帯電話等の液晶モニタ、車両のライセンスプレート、屋外又は屋内で使用される指示板及び広告（板）等の情報伝達媒体、並びに書籍などを挙げることができる。尚、このような適用対象と本発明の面状発光装置とを一体的に構成することもできる。

図１は、本発明の実施例である面状発光装置１を示す図である。図１ａは面状発光装置１の斜視図、図１ｂは図１ａのＡ−Ａ線断面図である。 図２は、本発明の他の実施例である面状発光装置２を示す図である。図２ａは面状発光装置２の斜視図、図２ｂは図２ａのＢ−Ｂ線断面図、図２ｃは図２ａのＣ−Ｃ線断面図である。

符号の説明

１、２ 面状発光装置
１０ ４０ 導光板
１１ ４１ 光導入部
１２ ４２ 発光面
２０ 発光素子構造
２１ ＬＥＤ
３０ 反射面
５０ 光源
５１ 発光素子部
５２ リフレクタ

Claims (5)

1. 発光面を有する導光板と、
   前記導光板の端部に埋入されている発光素子と、
   前記端部の表面に密着した状態で備えられる反射面と、を備え、
   前記端部の表面の少なくとも一部が、そこに到達する前記発光素子の光を前記反射面によって前記導光板の他端側へと反射できる二次又は高次曲面からなる、面状発光装置。
2. 前記発光素子の光軸を通り且つ前記発光面に垂直な断面における前記端部の外周が、部分放物線、部分楕円、若しくは部分双曲線、又はこれらの組み合わせによって規定される、請求項１に記載の面状発光装置。
3. 前記断面における前記端部の前記外周が部分放物線によって規定され、該部分放物線の焦点位置に前記発光素子が配置されている、請求項２に記載の面状発光装置。
4. 前記反射面が、前記端部の全体を被覆するように形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の面状発光装置。
5. その光軸が前記発光面に略平行となるように前記発光素子が配置される、請求項１〜４のいずれかに記載の面状発光装置。

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