JP2013143463A - 発光装置およびそれを用いたバックライトユニット、面光源装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
発光素子から出射させる光の横方向への指向性を十分に広げるとともに，縦方向の光の指向性を高めることが可能な発光装置を提供する。
【解決手段】
上記課題を解決するために、本発明は，上面枠体と、下面枠体と、それらに囲まれた開口部の底面を構成する基体と、基体の底面に設けられた発光素子と、発光素子に電力を供給するための配線とを備えた発光装置において、上面枠体と下面枠体との間の距離は、中央で小さく、中央から離れるにつれて大きくなるようにした。または、上面枠体の高さを下面枠体高さよりも高くした。これによって、垂直方向の光成分を抑制し，水平方向成分の光を広げることで，配光角を広角度化することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発光装置及びそれを用いたバックライトユニット、面光源装置および表示装置に関する。

従来、発光素子からの光の配光特性を制御した技術として，正面方向に集光し、指向性を高めることを目的としたＬＥＤパッケージがある（例えば、特許文献１参照）。図１は特許文献１に示されているＬＥＤパッケージを示す図である。図１を参照すると、特許文献１に示されているＬＥＤパッケージは、発光素子１２と、該発光素子１２が搭載される基体１４と、基体１４上に設けられている枠体１０とを有し、枠体１０には、発光素子１２からの光の指向性を高めるための開口部３１が設けられている。これらのＬＥＤパッケージにおいて、基体１４の上面には、発光素子１２が搭載される電極が形成されている。また、枠体１０の開口部３１は、枠体１０の下面Ｓ２から上面Ｓ１に向けて開口寸法が小さくなるように内壁面が形成されている。ここで、枠体１０の開口部３１の内壁面は、発光素子１２から出射された光を反射する反射面として利用される。図１のような構造を採ると、発光素子１２から斜め方向に出射された光が枠体１０の開口部３１の内壁面で反射され、放射角度が基体１４の表面に対して直角に近くなったときに、開口部３１から光が放射されることになり、正面方向に指向性をもたせることができる。

特開２００９−１６４２２５号公報

液晶表示装置などのバックライトユニットとして、エッジライト方式などでは、サイドビュー型のＬＥＤを、表示面の沿った方向に発光するように配置し、導光板に光を出射させている。このような方式では、ＬＥＤパッケージは、ｙ方向（表示面に対し垂直方向）に対しては、光が特定の方向に集光し、ｘ方向（表示面に沿った方向）では、広角に発光することが望ましい。

しかしながら、上述した従来パッケージ構造では，x方向に光を広角に広げる機能はない。そのため従来の構造で光を広角化するためには，レンズやリフレクタを追加する必要があり，このために部品点数増加によるコストアップとなる課題があった。

本発明は、ｙ方向に関しては発光素子から出射される光の正面への指向性を十分に高めるとともに，x方向に関しては指向性を低めることで，x方向に広い角度で光を供給することが可能な発光装置などを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は，上面枠体と、下面枠体と、それらに囲まれた開口部の底面を構成する基体と、基体の底面に設けられた発光素子と、発光素子に電力を供給するための配線とを備えた発光装置において、上面枠体と下面枠体との間の距離は、中央で小さく、中央から離れるにつれて大きくなるようにした。または、上面枠体の高さを下面枠体高さよりも高くした。

本発明によれば、y軸（垂直）方向の光成分を抑制し，x軸（水平）方向成分の光を広げることで，x軸方向の配光角を広角度化することができる。

従来技術にかかるＬＥＤ光源装置の構成例を示す断面図である。 本発明に係る発光装置の概念正面視図である。 図２中に示した発光装置のＡＢ断面の装置の概念断面図である。 本発明に係る発光装置の実施形態における構成例を示す。 図４中に示した発光装置のｃｄ断面の装置の概念断面図である。 本発明に係る発光装置の実施形態における構成例を示す。 本実施形態が適用される面光源装置の一例の全体構成を示す図である。 図４及び図５に示した実施形態でのｘ方向の配光特性の測定結果である。 図４及び図５に示した実施形態でのｙ方向の配光特性の測定結果である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は、本発明に係る発光装置の概念正面視図である。図３は、図２中に示したのＡＢ断面の装置の概念断面図である。

図２を参照すると、本発明の発光装置（パッケージ）は、発光素子（ＬＥＤ）１２と、該発光素子１２が搭載される基体（例えば基板）３０と、基体３０上に設けられている上面枠体２１と下面枠体２３を有し、下面枠体２３は，パッケージを外部に取り付けられた電極１３と接している。いわゆるサイドビュー型の発光装置である。下面枠体２３の基体３０とは反対側には上面枠体２１が設けられている。下面枠体２３と上面枠体２１を接続する側面枠体２２によって発光素子１２からの光を取り出すための開口部３１が構成されている。本実施例では、水平方向（ｘ方向）に広く、垂直方向（ｙ方向）には集光して光を取り出すために、発光素子は、ｙ方向よりもｘ方向が大きくなっている。

また、上記上面枠体２１においては、図２に示すように、x軸方向の厚さにおいて中央部の厚さが厚く，側面枠体２２に近づくに従い薄くなるように傾斜している第１の内壁面（傾斜面）Ｓ３と、下面枠体２３において中央部の厚さが厚く，側面枠体２２に近づくに従い薄くなるように傾斜している第２の内壁面（傾斜面）Ｓ４とを有している。S3，S４の傾斜面では直線の例を示したが，上記形状であれば曲線状であってもよい。

図３に示すように，上面枠体２１のｚ方向の厚さ（基体３０から上面枠体２１先端までの距離）ｄ1は下面枠体２３のｚ方向の厚さd３よりも大きい。

側面枠体２２についてのz方向の厚さｄ2は、上面枠体２１のz方向の厚さｄ1よりも小さい。また，厚さｄ２は下面枠体２１のz方向の厚さｄ３よりも小さい。またｄ2は0であってもよい。すなわち，ｄ１≧ｄ3＞ｄ2≧0の関係である。

透光体１５厚さは側面枠体厚さｄ２よりも大きいことが望ましい。

次に図２，図３についての本発明に係る発光装置の具体的な構成例を示す。

発光素子１２は、例えば半導体発光素子（具体的には、発光ダイオード素子や半導体レーザ素子など）として構成されている。発光素子１２は半導体素子であり，ＧａＮ系の青色発光素子でもよいし，GaAs系，GAP系の赤色発光素子，赤外発光素子であってもよい。図２において，発光素子１２は単独での実装例を示したが，パッケージ内において複数の発光素子を実装した場合でもよい。

枠体２１，２２，２３の材料は、セラミックやPPA(ポリフタルアミド)やシリコーン樹脂の主剤に反射率の高い金属または酸化物，窒化物からできた顔料を添付したもので構成されており，内壁面S３，S４は，発光素子１２から出射された光を反射する構造となっているため，内壁表面の反射率が６０%以上となることが望ましい。また内壁面の反射率をさらに高めるために内壁面の全面または一部に，銀，金，アルミなどの金属または酸化チタンやアルミナなどの膜を形成してもよい。

基体３０においては，ガラスエポキシ基板やリードフレームなどで構成されており，樹脂製接着剤やはんだによって発光素子１２の固定を行っている。さらには，基体３０には発光素子１２への電力供給用の配線（図示せず）がワイアボンディングによって基体表面に形成された電極パターン(図示せず)に接続されている。基体には表面から側面，または内部のスルーホールを経て基体裏面へ回り込む配線（図示せず）が形成されており、下面枠体２３に接触した電極接続面１３を通して外部電源とつながっている。電極１３は、下面が実装基板側を向いて実装されれば、下面に形成してもよいし、側面や基体30の裏面側に形成してもよい。

発光素子１２は，透光体１５によって周囲を囲われている。透光体１５はシリコーンまたはエポキシ，アクリルなどの透明樹脂かもしくはこれらの透明樹脂に，発光素子１２の発光波長より長波長光に変換する１種類もしくは複数の材料からなる波長変更のための蛍光体が分散された構造となっている。

上述したような本実施例の発光装置は、上面枠体２１と下面枠体２３の内壁面S３，S４が勾配を有し傾斜したテーパ形状になっているために，発光素子１２から出射される光のｘ方向への指向性を広げるとともに，y軸方向の指向性を狭めることができる。さらに、上面枠体２１と下面枠体２３，側面枠体２２のz軸方向厚さの関係を制御することでｘ方向への指向性を広げることができる。以下、詳述する。

発光装置の寸法はｘ方向が２mmから１０mm，ｙ方向が0.1mmから10mmの大きさである。発光素子１２は一辺の長さが約３００μｍ-５００μｍ角の正方形または長方形のものである。開口部３１における上面枠体２１下面枠体２３の厚さは0.05mmから1.0mmである。また側面枠体２２の厚さは0.3mm以下であることがのぞましい。

図４に本発明の構造においてｄ２=0の場合，つまり側面枠体２２がない場合の発光装置１を示す。発光装置１の内部の光の進行方向について説明する。発光素子１２からは前方の水平方向全方位に光が出射される。出射光の一部であるパッケージ１内でｙ方向に進行した出射光４１は，上面枠体２１のテーパ形状をもった内壁面にて反射して，進行方向をｘ方向に変更した光４２となる。内壁表面には反射率の高い材料に覆われているために光吸収や光透過は小さく，反射によるロスは小さい。さらに，光４２は透光体１５を通過して，側面枠体がないパッケージ１の側面より外部に容易に取り出すことができる。テーパ形状は，パッケージの中央が厚く，外側に向かって薄くなっていることから，上面枠体２１や下面枠体２３の内壁にて反射した光４２は，すべてパッケージの外側に進行方向を変えることができ，その後，光４２は側面枠体がないため，反射や吸収されることなく，容易にパッケージから外部に取り出すことができる。

図５は，図４のCD断面図である。ここで，z方向に進行した光について説明する。出射光４１は上面枠体２１に反射され進行方向をy-方向に変えて発光装置１の外部に出射される。すなわち，図５において発光素子１２の中心での垂線と上面枠体２１の出射面へのｙ+方向の角度をθ21とし，発光素子１２の中心での垂線と下面枠体２３の出射面へのｙ方向の角度をθ23とした場合，上面枠体２１のｚ方向の厚さｄ1は下面枠体２３のｚ方向の厚さd３よりも大きいため出向角θ21は下面枠体２３方向(y-方向)の出向角θ23よりも小さくなる。Z方向への出射角度は出射角度θ21またはθ23によって制限されるために，y+方向に進行する光量はy-方向への光量よりも少なくなる。このことから，Z方向の光に関してy+方向の配光角を小さくすることが可能となる。

図５には，d1がd3よりも大きい例を示したが，d3がｄ1よりも大きい場合は，y+方向への配光角を小さくすることが可能となる。

図６には，上面枠体21と下面枠体22の内壁にｚ方向に傾斜を設置した例を示す。傾斜は基体３０から開口部３１に従って薄くなる構造がよい。

傾斜によって，上面枠体21及び下面枠体２３の内壁面S３，S４によって反射した光は効率よく，開口部31に到達することができる。

図７は本実施形態が適用される面光源装置の一例の全体構成を示す図である。

本実施形態が適用される面光源装置は，発光装置１と基板１４を有する発光装置ユニットを含んでいる。発光装置１は、下面枠体２３を基板側に向け、発した光が基板面に沿った方向に出射するように基板１４に実装されている。発光装置１は、はんだなどの導電性の接合剤で、基板と接合されるとともに、接合剤は、基板１４の配線と発光装置１の配線（電極）とを電気的及び機械的に接続している。面光源装置は、本発明の特徴である発光装置１を複数配列された基板14と，基板14上にバックライトフレーム（筐体）に収容される下面反射部７１と、その上の導光部材７２と、導光部材の上面の、光取り出し部材（インク 凹凸形状）または，光取り出し用の透明部分を備えたシート７３，光取り出し部材の上に光学補償シートの積層体として面全体を均一な明るさとするために光を散乱拡散させる拡散部材（板，シート）７４、その上に前方への集光効果を持たせた回折格子フイルムであるプリズムシート７５を備えている。

基板14は複数個の発光装置１が直線状に1列配置されているが，2列以上の配置されてもよい。これら複数個の基板14に代えて大型の基板を1つ用意し，その基板に多数の発光装置1を配列してもよい。

基板１４は，熱伝導性の良好な金属（たとえばアルミや銅等）や安価なガラスエポキシや，ＣＥＭ3基板などのプリント配線基板を例示することができる。

一方，面状の導光部材７２はＰＣやＰＭＭＡなどの透明樹脂材が一般的である。導光部材72の上面には光取り出し部材73である数十ミクロン径のマイクロレンズや白色のレジストによる規則正しく配置された模様が施されている。光取り出し部材７３は導光部材７２に直接施す方式と，光が透過する透明部分と遮光部分を組み合わせたシート状の部材を導光部材上に配置した方式がある。導光部材７２は透明樹脂の例を示したが，空気層であってもよい。

発光装置１からの発光せられた光は、導光部材に入り、一部は直接に面光源装置の発光面から出て行くが、大部分は下面反射部７１と光取り出し部材73の間で反射を繰り返し導光部材部７２内部をｚ方向に伝搬し，拡散する。伝搬した光の一部は，取り出し部材７３によりｙ+方向に進行方向を変更して拡散板７４と光学シート７５を通して面発光となる。

図８，図９に本発明構造による効果について配光特性の測定を実施した結果である。図８、図９においては、図４に示した側面枠体２２を除去したパッケージの結果である。d1=0.8mm d2=0mm d3=0.5mm 角度43=160°とした例である。

比較として、従来構造である上面、下面、側面の枠体の長さが同じく（d1=d2=d3=0.5mm），上面及び下面の枠体が凸状ではなく平坦な（角度43=180°）発光装置の結果を比較対照として示す。

x方向の配光角度が広がりを示した図８においては，本実施例にかかる発光装置は、半値配光角度で10°広くなっているのがわかる。従って、本実施例では、ｘ方向には、従来の発光装置に比べて配光角が広がり、広い角度に光を供給できることがわかる。

一方，y軸方向の指向角を示した図９からは，本実施例にかかる発光装置では、y＋方向への出射が抑えられ、ｙ-方向の半値指向角が８°程度の小さくなる効果が見られた。従って、本実施例では、ｙ方向では、従来の発光装置に比べて配光角が小さくなっていることがわかる。また、y＋方向への出射が抑えられるため、光が下面反射部７１で反射するものが多くなり、従って、面光源装置から発せられる光は、z方向でのの広がりが大きくなる。

以上の測定により、本発明にかかる発光装置では、発光する光の配向が変わる。具体的には、水平方向には広がり、垂直方向へは集光が下方向に移動する。そのため、この発光装置を用いた面光源装置では、光が広がって発光が均一化する。

１、発光装置
１０ 枠体
１２ 発光素子
１３ 電極接続面
１４ 基板
１５ 透光体
２１ 上面枠体
２２ 側面枠体
２３ 下面枠体
３０ 基体
３１ 開口部
４１ 出射光
４２ 光
４３ 角度
７１ 下面反射部
７２ 導光部材
７３ 光取り出し部材
７４ 拡散部材
７５ 光学シート
S３ 上面枠体の内壁
S４ 下面枠体の内壁
d1 上面枠体厚さ
d２ 側面枠体厚さ
d３ 下面枠体厚さ

Claims (14)

1. 上面枠体と、
   前記上面枠体に対向する下面枠体と、
   それらに囲まれた開口部の底面を構成する基体と、
   前記開口部の底面に設けられた発光素子と、
   前記発光素子に電力を供給するための配線とを備えた発光装置において、
   前記上面枠体と前記下面枠体との間の距離は、中央で小さく、中央から離れるにつれて大きくなることを特徴とする発光装置。
2. 請求項１において、
   前記上面枠体または前記下面枠体は、少なくとも一方は、凸形状であることにより、前記距離は、中央で小さく、前記中央から離れるにつれて大きくなることを特徴とする発光装置。
3. 請求項１または２において、
   前記上面枠体及び前記下面枠体の両方が、凸形状であることにより、前記距離は、中央で小さく、前記中央から離れるにつれて大きくなることを特徴とする発光装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記上面枠体または／及び前記下面枠体の凸形状は、枠厚さを中央から側面側にかけて減少させるテーパ形状であることを特徴とする発光装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記上面枠体の前記底面からの高さは、前記下面枠体の前記底面からの高さよりも高いことを特徴とする発光装置。
6. 上面枠体と、
   前記上面枠体に対向する下面枠体と、
   それらに囲まれた開口部の底面を構成する基体と、
   前記開口部の底面に設けられた発光素子と、
   前記発光素子に電力を供給するための配線とを備えた発光装置において、
   前記上面枠体の前記底面からの高さは、前記下面枠体の前記底面からの高さよりも高いことを特徴とする発光装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記上面枠体と下面枠体との間に設けられた対の側面枠体を備え、
   前記側面枠体の前記底面からの高さは、前記下面枠体の前記底面からの高さよりも低いことを特徴とする発光装置。
8. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記上面枠体と下面枠体とは、間に側面枠体を備えずに離れており、
   前記開口部は、側面側で開口していることを特徴とする発光装置。
9. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記上面枠体と下面枠体との間に設けられた対の側面枠体と、
   前記上面枠体、下面枠体及び側面枠体に囲まれた開口部に充填され、前記発光素子を封止する透光体と、を備え、
   前記透光体の前記底面からの高さは、前記側面枠体のそれより大きく、前記上面枠体のそれよりも小さいことを特徴とする発光装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかにおいて、
    前記基体，側面枠体，上面枠体，下面枠体のいづれかまたはすべての内壁には、光を反射するための反射層が設けられていることを特徴とする発光装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれかにおいて，
    前記発光素子は半導体発光素子であることを特徴とする発光装置。
12. 複数の請求項1乃至１１のいずれかに記載の発光装置と，
    前記発光装置を実装する基板と、
    前記発光装置の配線と基板の配線を電気的に接続する接合剤とを備え、
    前記発光装置の下面枠体が前記基板と対向するように当該基板に実装されることを特徴とするバックライトユニット。
13. 請求項１２記載のバックライトユニットと，
    前記発光装置に対してその発光方向の前記基板上に設けられた反射部材と、
    前記反射部材上に設けられた導光部材と、
    前記導光部材上に設けられた複数の光学シートと、
    を備えたことを特徴とする面光源装置。
14. 請求項１３記載の面光源装置と、
    前記面光源装置の前に設けられた液晶表示パネルとを備えたことを特徴とする表示装置。

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