JP2005183030A

JP2005183030A - 導光板及び照明装置

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Publication number: JP2005183030A
Application number: JP2003418008A
Authority: JP
Inventors: Taketoshi Masamoto; 武寿政本; Yasunori Onishi; 康憲大西
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】低コスト及び短時間で製作可能な光利用効率の高い導光板及び照明装置を提供する。
【解決手段】導光板は、例えば液晶装置のバックライトユニットなどとして使用される照明装置に好適に使用することができ、光を出射する出光面と、反射面と、光源からの光が入射する入光端面とを備える。導光板の断面形状は楔形であり、光源側の入光端面から遠ざかるにつれて板厚が減少する形状となっている。また、入光端面から導光板内部に入射した光を反射する反射面、及び、光が出射する出光面の双方が平面かつ鏡面となっている。反射面を出光面に対して０度より大きい傾斜角で形成するので、入光端面から導光板内に入射した光は反射面で反射される度に傾斜角に応じた角度だけ方向を変えられ、出光面と光との角度が臨界角を超えると光は出光面から出光する。このように、傾斜角に応じた反射面には、入光端面から導光板内部に入射した光を反射するための特別なパターン形状を設けないので、導光板の製造に使用する金型を容易かつ短時間で製作でき、低コスト化及び製作に要する時間の短縮が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は照明装置に関し、特に液晶装置などのバックライトユニットとして好適な面発光型の照明装置に関する。

液晶装置においては、透過表示を行うために液晶パネルの背面側にバックライトユニットが設けられる。一般的には、バックライトユニットは、光源と、光源からの光を平面状の光として液晶パネルの背面に照射する導光板と、導光板から出射した光を拡散するシートとを備えて構成される。光源から導光板に入射した光は、導光板の出光面と反射面との間で反射を繰り返した後、出光面から外部へ出光する。近年では、照明装置の軽量化や発光効率の向上などの観点から、導光板の形状は、光源側から遠ざかるにつれてその板厚が減少していく、いわゆる「楔形」の断面形状を有するものが多く使用されている。楔形の導光板を使用した照明装置の例が、例えば特許文献１乃至３に記載されている。

導光板の厚みが一定の平板形状で、その表面が鏡面の場合、光は導光板出光面から出射しない。上記のような照明装置では、光を出射させるために、導光板の出光面、反射面の一方、または両方に光の反射方向を変えるための細かなパターンや形状が設けられる。導導光板に入射した光は出光面、反射面に形成されたパターンで反射されるたびに徐々に角度が変化し、導光板表面と光との間の角度が臨界角を超えた光が導光板から外部へ出光する。

しかし、導光板の反射面にそのようなパターンを設けたり、特殊な形状としたりする加工にはコスト及び製作時間を要する。通常、導光板は金型を使用して樹脂などを成形して製作するので、反射面にパターンなどを形成するためには金型にそのような加工を施す必要がある。よって、対応する微細なパターンや形状を金型側に形成する必要があり、その形状が微細、複雑であるほど金型の製作コスト及び製作時間が増大してしまう。

特開平８−３１３７３２号公報特開平１１−２８７９９３号公報特開平１０−７３８２０号公報

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、低コスト及び短時間で製作可能な光利用効率の高い導光板を提供すること、およびその導光板を使用した照明装置を提供することを課題とする。

本発明の１つの観点では、光を出射する出光面と、前記出光面と対向する反射面と、光源からの光が入射する入光端面とを備え、前記出光面と前記反射面との距離が前記入光端面から遠ざかるにつれて減少する楔形状の断面を有する導光板において、前記出光面及び前記反射面は少なくとも一方が平面かつ鏡面であり、前記出光面に対する前記反射面の傾斜角が０度より大きい。

上記の導光板は、例えば液晶装置のバックライトユニットなどとして使用される照明装置に好適に使用することができ、光を出射する出光面と、前記出光面と対向する反射面と、光源からの光が入射する入光端面とを備える。導光板の断面形状は楔形であり、光源側の入光端面から遠ざかるにつれて板厚が減少する形状となっている。また、入光端面から導光板内部に入射した光を反射する反射面、及び、光が出射する出光面の双方が平面かつ鏡面となっている。反射面を出光面に対して０度より大きい傾斜角で形成するので、入光端面から導光板内に入射した光は反射面で反射される度に傾斜角に応じた角度だけ方向を変えられ、出光面と光との角度が臨界角を超えると光は出光面から出光する。このように、傾斜角に応じた反射面には、入光端面から導光板内部に入射した光を反射するための特別なパターン形状を設けないので、導光板の製造に使用する金型を容易かつ短時間で製作でき、低コスト化及び製作に要する時間の短縮が可能となる。好適な実施例では、前記傾斜角は５度以下であることが好ましく、特に２度が好ましい。

上記の導光板の一態様では、前記反射面及び前記出光面の少なくとも一方は、前記入光端面と略直交する方向に延びる複数の凹部が、前記入光端面の長さ方向に複数繰り返し形成されている。導光板の出光面及び反射面を平面かつ鏡面とするので、導光板に対して光源からの光が入射する方向と垂直な方向、即ち入光端面の長さ方向には光の拡散性が不足する傾向が生じる。特に光源として複数のＬＥＤなどの点光源を使用する場合には、ＬＥＤの近傍に明暗の部分ができ、輝度ムラなどが生じやすい。そこで、入光端面と垂直な方向に複数の凹部をストライプ状に形成することにより、その凹部の長さと垂直な方向、即ち入光端面と平行な方向に光の拡散性を向上させることができ、輝度ムラなどを低減することができる。上記の複数の凹部は、前記入光端面と平行な方向における断面形状が異なることが好ましい。複数の凹部の断面形状が異なる方が、より光をランダムに拡散させやすくなり、輝度ムラが生じにくくなる。

本発明の他の観点では、照明装置は、上記の導光板と、凹凸面が前記出光面と対向するように前記導光板と対向配置されたプリズムシートと、を備え、前記プリズムシートの突部の頂角が６０度〜７０度の範囲内である。

上記の導光板では、出光面と反射面との間の傾斜角を適切に設定することにより、出光面から出射する光に指向性を与え、その角度を一定の範囲内に集中させることができる。よって、出光面から多くの光が出射する角度に対してプリズムシートの頂角を適切な範囲に設定すれば、導光板から出射した光のより多くの部分をプリズムシートを介して照明装置外部へ出射することが可能となり、光源からの光の使用効率を向上させることが可能となる。

本発明の他の観点では、電気光学装置において、基板に電気光学物質を配置してなる電気光学基板と、上記の照明装置とを備え、前記電気光学基板は前記プリズムシートに対して前記導光板の反対側に配置されてなる。これにより、低コストで輝度ムラの少ない電気光学装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１に本発明の第１実施形態に係る照明装置の概略構成を示す。図１において、照明装置１０は、液晶装置２などのバックライトユニットとして使用される面発光型の照明装置であり、導光板１１と、光源１２と、反射シート１３と、プリズムシート１４とを備える。導光板１１から出射した光Ｌは、図示のようにプリズムシート１４を通過して液晶装置２を背面から照明する。これにより、液晶装置２の透過表示が可能となる。

図２（ａ）に照明装置１０の側面図を示す。なお、説明の便宜上、反射シート１３は図示を省略している。光源１２は例えば光源として複数のＬＥＤ（図示せず）を備え、光源と対向する導光板１１の端面（以下、「入光端面」と呼ぶ。）１１ｃに光を出射する。導光板１１は平面形状が矩形であり、アクリル樹脂などの透明樹脂から構成される。図１及び２における上側の面１１ａは光を出射する面（以下、「出光面」と呼ぶ。）であり、下側の面１１ｂは光を反射する面（以下、「反射面」と呼ぶ。）である。

導光板１１は、図示のようにいわゆる楔形の断面形状を有しており、入光端面１１ｃから遠ざかるにつれて板厚が減少していく。即ち、入光端面１１ｃから遠ざかるにつれて、出光面１１ａと反射面１１ｂとの距離が減少していく断面形状を有している。光源１２から出射した光Ｌは、入光端面１１ｃから導光板１１内に入り、反射面１１ｂと出光面１１ａとの間で反射を繰り返す。そして、出光面１１ａと光のなす角が臨界角を超えると、出光面１１ａを透過して外部へ出光する。

光源１２から出射した光は導光板１１内を遠くへ伝搬するほどエネルギーが低下するので、入光端面と反対側の端面１１ｄに近づくほど光は暗くなる。そこで、導光板１１の断面形状を楔形として、入光端面と反対側の端面１１ｄ側へ近づくほど板厚を薄くすることにより反対側の光出射効率を上げることで、導光板の面内における明るさを均一化することができる。また、楔形状化は、導光板１１の軽量化にも有効である。

プリズムシート１４は、その片面に断面が略三角形の凹凸を形成したシートであり、導光板１１の出光面１ａから出光した光を効率的に液晶装置２側へ向ける役割を有する。本実施例のプリズムシート１４は、「逆プリズム型」とも呼ばれ、凹凸形状が導光板１１と対向するように配置されるものである。図２に示すように、導光板１１の出光面１１ａから出射した光Ｌはプリズムシート１４により略垂直方向へ向けられる。

本実施例では、導光板１１の出光面１１ａ及び反射面１１ｂはいずれも平面かつ鏡面となっている。導光板１１の出光面１１ａに光拡散のための凹凸形状などを設ける手法が知られているが、本実施例では鏡面とすることにより光の利用効率を高めている。

通常、導光板１１の反射面１１ｂには、一般的には光の角度を変えるために所定のパターンが形成される。そのようなパターンの一例を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）に示す導光板１８は、その反射面１９をステップ状（段差状）に形成している。このステップ形状により、反射面１９に入射する光の方向を変更する。導光板１１内に入った光は、反射面１９により何度か方向を変えられ、出光面との角度が臨界角を超えたときに導光板１８から外部へ出射する。しかしながら、前述のように、導光板にこのような形状を設けるにはコスト及び時間を要する。

本発明では、そのような形状を設けず、導光板１１の反射面１１ｂを鏡面とする。いま、図２（ａ）に示すように、導光板１１の反射面１１ｂが出光面１１ａに対してなす傾斜角を「α」とする。図２（ｃ）は導光板１１の出光面１１ａ、反射面１１ｂの一部で光が反射する様子を模式的に示す。

図示のように、ある光Ｌが出光面１１ａに対して角度Ｘで入射し、全反射したとすると、反射面１１ｂは出光面１１ａに対して傾斜角αを有するので、反射面１１ｂに対しては、（Ｘ＋α）の角度を有する。この光が反射面１１ｂにより再度全反射したとすると、１１ａに入射する角度は（ｘ＋２α）となる。このように出光面、反射面による反射を繰り返すことで、２αだけ増加することになる。よって、光Ｌは導光板１１内の反射面１１ｂで複数回反射されることにより方向が徐々に変化し、やがて出光面１１ａに対する角度が臨界角を超えると出光面１１ａから出射することになる。従って、傾斜角αを適切に定めることにより、反射面１１ｂを鏡面（即ち、特殊なパターン形状を設けない）としても、導光板１１から光を出射させることができる。

上述のように、導光板１１内の光は反射を繰り返すことにより角度２αずつ方向が変化するので、導光板１１から光を出射させるためには傾斜角α＞０でなければならない。一方、傾斜角αが大きすぎると導光板１１の楔形状が急峻すぎて好ましくない。経験的には、傾斜角は０＜α＜５度程度が好適であり、特に傾斜角α＝２程度が最適である。

上記の説明から理解されるように、反射面１１ｂによる１回の反射によって光は２αずつ角度を変えていくのであるから、傾斜角を小さく設定すれば、導光板１１内で反射を繰り返す光の角度は少しずつ変化していくことになる。よって、出光面１１ａと光の角度が臨界角を超えたときでも臨界角を大きく超えることなくなり、多くの光が臨界角を少し超えた程度の角度で出光していくことになる。よって、出光面１１ａから出光した光の方向は、出光面１１ａに対して平行に近い所定の角度範囲内に集中する。即ち導光板１１から出射する光に意図的に指向性をもたせることができる。逆にいえば、傾斜角αを適切に決定すれば、出光面１１ａから出ていく光の方向をかなり効率的に制御し、特定の方向に集中させることができる。よって、その方向の光を、出光面１１ａに対して垂直な方向に向けるようにプリズムシート１４の凹凸形状を設定すれば、導光板１１から出光した光を高い効率で垂直方向、即ち液晶装置２などの被照明物の方向に向けることができる。経験的には、前述のように傾斜角を０＜α＜５度の範囲に設定した場合、導光板１１の出光面１１ａから出射する光が出光面１１ａとなす角（図２（ａ）における角度「γ」）のピークは１５〜２０度程度となる。この場合、プリズムシート１４を通過する光の方向を導光板１１の出光面１１ａに対して略垂直とするためには、プリズムシート１４の凹凸形状を構成する三角形の頂角「β」は、６０＜β＜７０の範囲内が好ましく、特にβ＝６５程度が最適である。

以上説明したように、本発明では、導光板１１の反射面１１ｂを平面かつ鏡面とし、特殊な形状加工を施さないので、導光板１１を製作するための金型の製作が単純化され、コスト及び時間の両方を改善することができる。また、導光板１１の出光面１１ａと反射面１１ｂのなす傾斜角α、さらにはプリズムシート１４の凹凸形状を規定する三角形の頂角βの値を適切に決定することにより、光源からの光を高い効率で利用することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、上述の第１実施形態において、導光板１１の出光面１１ａ又は反射面１１ｂに光拡散のための加工を施すことを特徴とする。上述のように、第１実施例では導光板１１の出光面１１ａ及び反射面１１ｂの両方を鏡面とするので、光の拡散性、特に入光端面１１ｃに平行な方向における光の拡散性が不足しやすくなる。このため、光源１２として複数のＬＥＤなどの点光源を使用すると、ＬＥＤの前が明るくなるとともにＬＥＤの間が暗くなり、明るさのムラが生じる（「ホットスポット現象」などと呼ばれる。）。図３に複数のＬＥＤを備える光源１２を使用した場合の導光板１１の明るさの状態を模式的に示す。図３において、光源１２は４個のＬＥＤ１２ａをその長さ方向に併設してなる。各ＬＥＤ１２ａは導光板１１の入光端面１１ｃの方向に光を出射するので、導光板１１の入光端面１１ｃ近傍には図示のように明るい領域（ホットスポット）１６が生じ、その間は暗い領域となる。各ＬＥＤ１２ａからの光は導光板１１の長さ方向、即ち入光端面１１ｃから反対側の端面１１ｄへ向かう方向に進むので、導光板１１の長さ方向（方向Ｂ）には輝度ムラは比較的生じにくい。しかし、導光板１１の出光面１１ａ及び反射面１１ｂはいずれも鏡面であるので、導光板１１の横方向（方向Ａ）、即ち入光端面１１ｃに平行な方向には光の拡散性が低くなり、輝度ムラが生じやすい。

そこで、本実施形態では導光板１１の出光面１１ａ及び反射面１１ｂの少なくとも一方に光拡散のための凹凸形状を形成する。第２実施例に係る照明装置の構成を図４に模式的に示す。図４（ａ）は、照明装置の光源１２及び導光板１１の平面図である。図示のように導光板１１には、その出光面１１ａ及び反射面１１ｂの少なくとも一方にストライプ状の微少な凹部１７を複数形成する。各凹部１７は、導光板１１の長さ方向Ｂ、即ち入光端面１１ｃと略垂直な方向に略平行に設けられている。また、複数の凹部１７は導光板１１の幅方向Ａのほぼ全体にわたって設けられている。

図４（ｂ）に、図４（ａ）における導光板１１の切断面Ｘ１−Ｘ２における断面図を示す。図示のように、各凹部１７は全てが同一形状である必要はなく、光の拡散性を高めるためにはむしろランダムな形状又はそれぞれ異なる形状であることが好ましい。このように導光板１１の長さ方向にストライプ状の複数の凹部１７を形成することにより、導光板１１に対して光源１２から入射した光を、入光端面１１ｃと平行な方向Ａに拡散することができる（図４（ｂ）を参照）。よって、導光板１１の出光面１１ａ及び反射面１１ｂをともに平面かつ鏡面とした場合でも、それらの一方に上記の微細なストライプ状の凹部１７を複数形成することにより、導光板１１の幅方向の拡散性を向上し、輝度ムラなどを防止することができる。なお、この微細な凹部１７は実際には導光板１１の表面をざらつかせる加工を施すものであり、これにより導光板の出光面１１ａ及び反射面１１ｂに特殊なパターン形状を形成するものではないのでコストや製造時間への影響は少なく、また導光板の平坦性を損なうこともない。

なお、第２実施形態による照明装置は、上述のように導光板に拡散のための凹部を形成した点以外は第１実施形態による照明装置と基本的に同様である。

次に、上述したストライプ状の凹部の形成方法について説明する。上述の凹部１７は、導光板の射出成形や金型成形を行う際に、使用する金型を研削加工などによって加工して微細な凹凸を形成し、それを用いて射出成形などを行うことにより形成される。研削加工はストライプ状の凹部を形成するのに適しており、グラインダ（砥石）を用いて容易に高精度で形成することができる。具体的には、図５に示すように、円形のグラインダ３１を回転させ、グラインダ３１に接するように載置した金型３０を移動させて金型の表面を研削加工する。こうして、金型３０自体にストライプ状の凹凸が形成される。

図６に、そうして製作された金型３０を用いた導光板１１の製造方法を模式的に示す。図６（ａ）のように、研削加工によりストライプ状の凹凸を形成した金型３０と、相手側の金型３２との間に射出などにより樹脂を封入する。そして樹脂が硬化した後で、金型３０及び３２を分離し、内部の樹脂により構成される導光板１１を取り出す。こうして、ストライプ状の複数の凹部１７が形成された導光板１１が得られる。

以上説明したように、第２実施形態では、導光板１１の出光面１１ａ及び反射面１１ｂの少なくとも一方にストライプ状の複数の凹部１７を設けたので、入光端面１１ｃに平行な方向における光の拡散性を向上させることができる。よって、光源１２のＬＥＤ近傍に生じる明暗を除去することができ、また、導光板１１の全体において入光端面１１ｃに平行な方向における輝度ムラを低減することができる。これにより、当該照明装置を使用する液晶装置などの表示品質が向上するとともに、工数の削減、低コスト化などが図られる。また、ＬＥＤからの光の使用効率を改善することができるので、必要に応じて光源１２に使用するＬＥＤの数を削減することも可能となる。

なお、上記の説明では、ストライプ状の凹部１７を出光面１１又は反射面１１ｂに形成するとしたが、その代わりに又はそれに加えて、導光板１１の入光端面１１ｃに同様の凹部１７を形成してもよい。また、凹部１７は必ずしも導光板１１の対象となる面全体に形成する必要はなく、部分的に形成しても構わない。

本発明の第１実施形態に係る照明装置の概略構成を示す斜視図である。照明装置の出光原理を示す図である。点光源を用いた場合の導光板内の輝度分布を模式的に示す。第２実施形態に係る導光板の構成を模式的に示す。導光板を作成する金型の研削加工の例を説明する図である。導光板の製作方法を示す図である。

符号の説明

２液晶装置、１０照明装置、１１導光板、１２光源、
１３反射シート、１４プリズムシート、１７凹部、３０金型

Claims

光を出射する出光面と、前記出光面と対向する反射面と、光源からの光が入射する入光端面とを備え、前記出光面と前記反射面との距離が前記入光端面から遠ざかるにつれて減少する楔形状の断面を有する導光板であって、
前記出光面及び前記反射面は少なくとも一方が平面かつ鏡面であり、前記出光面に対する前記反射面の傾斜角が０度より大きいことを特徴とする導光板。
前記傾斜角が５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
前記傾斜角が２度であることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
前記反射面及び前記出光面の少なくとも一方は、前記入光端面と略直交する方向に延びる複数の凹部が、前記入光端面の長さ方向に複数繰り返し形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の導光板。
前記複数の凹部は、前記入光端面と平行な方向における断面形状が異なることを特徴とする請求項４に記載の導光板。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の導光板と、
凹凸面が前記出光面と対向するように前記導光板と対向配置されたプリズムシートと、を備え、
前記プリズムシートの突部の頂角が６０度〜７０度の範囲内であることを特徴とする照明装置。
基板に電気光学物質を配置してなる電気光学基板と、
請求項６に記載の照明装置とを備え、
前記電気光学基板は、前記プリズムシートに対して前記導光板の反対側に配置されてなることを特徴とする記載の電気光学装置。