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JP2012053988A - バックライトユニットおよびそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

バックライトユニットおよびそれを用いた画像表示装置 Download PDF

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Toru Tagami
徹 田上
Shogo Watanabe
詔吾 渡辺
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Abstract

【課題】薄型で、光源からの光の利用効率がよい、LEDを光源とするサイドライト型バックライトユニットを実現する。
【解決手段】基板2にLED1が出射面1bを上側に傾けて配置されている。この傾きを、LED1の一端を基板2上の塗料2aに載せることによって形成する。導光板3の側面に形成された入光面3aは、LED1からの光を受ける充分な広さを持っている。LED1からの光が基板2に当たる量が減ることによって、光の利用効率が増大する。これによって、輝度の大きいバックライトユニットを実現することが出来る。
【選択図】図1

Description

本発明は、発光ダイオード(LED)等の光源からの光を導光板により液晶パネルに照射するように構成されたバックライトユニットおよびそれを用いた画像表示装置に関する。
液晶パネルを用いた画像表示装置は、液晶パネルと該液晶パネルをその背面側から照明するためのバックライトユニットとを有する。このバックライトとしては、例えば下記特許文献1に記載のように、透明樹脂等で構成された導光板の端面(側面)に複数個のLEDを光源として配置し、このLEDからの光を導光板内部で多重反射させて液晶パネル側の導光板表面(出光面)から面状の光源として出射させるサイドライト型のものが知られている。
特開2009−37212号公報
近年、液晶表示装置は薄型化(装置の奥行き方向寸法の縮小化)が求められ、液晶表示装置を構成する液晶パネル、バックライトユニット、その他部材においても薄型化が図られている。かかる薄型化に対応するためには、装置の奥行き方向に対応する導光板の厚さを薄くする必要がある。導光板の厚さを薄くすることは、導光板の入光面の高さ方向寸法を小さくすることとなり、導光板の厚さ方向におけるLEDからの光の入射範囲が狭くなる。
このため、LEDを回路基板に実装する際におけるLEDの倒れ方向のずれ(傾き)が、LEDからの光の利用効率に大きく影響する。例えば、LEDの光軸が導光板の出光面と平行な方向に対して表示装置の背面側に傾く場合は、光の利用効率が大きく低下し、導光板から出射される光の輝度が低下する。上記特許文献1には、かかるLEDの傾き及び該傾きによる光の利用効率の低下については何ら考慮されていない。
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、LEDからの光の利用効率を向上させるのに好適な技術を提供するものである。
本発明は、光源としてのLEDと導光板とを含み、該導光板の入光面にLEDからの光が入射され、該入射光を面状光として該導光板の出光面から液晶パネル側へ照射するように構成されたバックライトユニットにおいて、前記LEDの出射光が斜め上向き、すなわち導光板の出光面の方向に向くようにLEDを傾斜して配置したことを特徴とするものである。
本発明によれば、LEDの傾きの影響を抑え、光の利用効率のよいバックライトユニット、及び薄型かつ輝度の高い画像表示装置を提供することができる。
本発明の第1実施例に係るバックライトユニットのLEDが配置されている部分の断面図である。 LEDを接合面側から見た図である。 第1実施例による回路基板のLED搭載部の説明図である。 第1実施例によるLEDを回路基板に搭載した状態を示した図である。 第1実施例によるLEDの回路基板への実装プロセス説明図である。 第1実施例における接合角度αとバックライトユニットからの光の輝度との関係を示す図である。 本実施形態が適用される液晶表示装置の分解斜視図である。 図7の液晶表示装置のA−A断面図である。 接合角度αとバックライトユニットからの光の輝度との関係を示す図である。 本発明の第2実施例に係るバックライトユニットのLEDが配置されている部分の断面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。尚、同じ機能、作用を持つ要素は同一の符号を付して重複した説明は省略するものとする。
まず、図7を用いて、本発明が適用され得る画像表示装置としての液晶表示装置の全体構成について説明する。図7は、液晶表示装置の分解斜視図であり、紙面上側を前面側(画像観察側)、紙面下側を背面側とする。図7において、液晶表示パネル30は、その内部にTFT基板やカラーフィルタ、対向基板、偏光板(いずれも図示せず)等が内蔵される。
液晶表示パネル30の背面側には、液晶表示パネル30の背面側から液晶表示パネル30に光を照射するためのバックライトユニット31が配置されている。バックライトユニット31は、光源としての複数のLED1が配置された回路基板2、導光板3、反射シート5、光学シート6を有している。
回路基板2上には、その一端部の辺に沿って光源としての複数のLED1が直線状に配列されているとともに、例えば該LED1を駆動するためのLEDドライバなどの回路部品が実装される。LED1は、電極面と平行な方向に白色光を放出するサイドビュー型のLEDであり、この例では、LED1の配列方向と直交する方向であって、かつ回路基板2の面と略平行な方向(図中矢印の方向)に向けて光を放出する。尚、図中の矢印は各LEDの光軸方向と一致するものとする。
回路基板2上には、反射シート5を介して導光板3が載置されており、回路基板2上に導光板3が載置されている状態において、導光板3の一側面に沿って、該側面とLED1の出射面が対向するように複数のLED1が一列に配置される。この導光板3の側面が入光面3aとなり、LED1から放出された光は入光面3aに入射されて導光板3の内部に導かれる。導光板3は、前面側から見た形状が矩形状であり、また、その出光面3bと直交しかつLED1の光軸方向と平行な断面が、入光面3aからそれに対向する先端部にかけて徐々に厚さが薄くなる楔形状を為している。そして、導光板3の背面(反射シート5と対向する面)と導光板3の背面側に設けられた反射シート5によって、導光板3内に導かれた光が反射されて出光面3bから出射される。
導光板3の出光面3bから出射された光は、光学シート6に入射される。光学シート6は、例えば拡散シート、プリズムシート、反射偏光板等を含んでおり、導光板3からの光を拡散して均一化し、かつ前面側へ向かう光の輝度を向上させて液晶表示パネル30に照射される。
また液晶表示パネル30の前面側にはベゼルとしての例えば樹脂により構成された前枠32が配置され、バックライトユニット31の背面側には背面筐体としての例えば樹脂により構成されたバックカバー33が配置されており、前枠32とバックカバー33により、上記液晶表示パネル32とバックライトユニット31を内部に収納するように構成されている。なお、液晶表示パネル30やLED1を駆動するための信号基板や電源基板などの電気回路等の図示は、ここでは省略している。
この例においては、導光板3は上記のように光出射面3aから先端部にかけて厚さが減少する楔型のものを使用しているが、楔型ではなく、厚さが略一定のものを使用してもよい。また、光学シート6は3枚としたが、これに限る必要はない。またLED1は導光板3の1辺の側面側に配置しているが、2辺以上の側面側に配置した構成としてもよい。更にまた、図7では導光板3を一枚のみ用いてサイドライト型のバックライトを構成しているが、比較的小面積(例えば10cm×10cm)の導光板3とLED1との組を複数個二次元状に配列した、いわゆるタンデム型のバックライトを構成してもよい。このようにすれば、小面積の導光板3毎に光の明るさを制御することができる。
図8は、図7の液晶表示装置のA−A断面図である。図示の簡素化のため、前枠32及びバックカバー33は図示を省略している。図8に示されるように、液晶表示パネル30の背面側には、前面側から背面側にかけて順に、光学シート6、導光板3、反射シート5、LED1およびこれを搭載する回路基板2が配置されている。図8において、導光板3と反射シート5とは、密着して描かれているが、実際にはわずかな隙間が出来てしまう場合が多い。
続いて、上記図7及び図8に示したLED1及び導光板3の詳細と、本実施例の特徴部分について図1を参照して説明する。図1は、本実施例に係るバックライトユニットにおけるLEDが配置されている部分周辺の断面拡大図を示している。
図1において、LED1は、発光部であるLEDチップ1aを含み、該LEDチップ1aで発光した光が出射面1bから光軸1dの方向に導光板3の入光面3aへ向けて放出される。ここで光軸1dは、LEDチップ1aの中心を通り、かつ出射面1bと直交する軸であり、この光軸1d方向の光強度が最も高くなっている。
またLED1の下面は回路基板2と接合される接合面1cとされている。この接合面1cは、図2に示されるように、互いに電気的に接続されないLED電極部1eが設けられている。LED電極部1eに電流を流すことにより、LED1内部の発光部1aが発光する。図2においてLED電極部1eは接合面1cの両端に2ヶ所設けられているが、LED内部の回路によってはLED電極部1eがLED接合面1c上に3ヶ所以上設けてあってもよい。
またLED1は、この例では、出射面1bを含む面が2mmx3mm程度で、奥行き(図中左右方向)が1.5mm程度のサイズを有するサイドビュー型の白色発光LEDであるものとする。
回路基板2は、基材2bと、基材2上に配置されている配線ランド8と、レジストなどの基板印刷塗料2aを含んで構成されており、LED1の接合面1cと基板2上に設けられた配線ランド8に例えばはんだ等の接合部材7を用いて結合され、固定されている。
図1において、LED1の接合面1cと光軸1dの方向が平行になっている。このタイプのLED1をサイドビュータイプのLEDと称されている。なお、後で述べるトップビュータイプのLEDは、接合面1cと光軸1dが直交している。
導光板3は例えば透明樹脂により構成されており、そのLED1側の側面は入光面3aとされている。導光板3の入光面3aには、空気層9を介して、LED1から出射された光が入射される。導光板3の表面側(液晶表示パネル30と対向する面)は出光面3b、裏面側(反射シートと対向する面)は反射面3cとなっており、出光面3bまたは反射面3cもしくはその両方に、面内を均一な輝度とするために光学設計された形状を有し、かつ白色インクの印刷または白色シートにより形成された拡散パターン、もしくは、微小なレンズの凹凸パターンが施される。この導光板3の入光面3aに入射されたLED1からの光は、導光板3の内部を進行し、その一部は出光面3bから出射される。出光面3bで反射して反射面3cに向かう光、及び入光面3aから直接反射面3cに向かう光は、反射面3cに形成された上記パターンにより拡散・反射され、出光面3bから出射される。また、導光板3の反射面3cで反射されずに透過して下方に向かう光は、反射面3cの下方に設置された反射シート5によって導光板3の内部に戻るように反射され、反射面3cで拡散・反射された光とともに出光面3bから出射される。これにより、導光板3の入光面3aからそれに対向する先端部までの全面に渡って輝度が略均一化された面状光が得られる。出光面3bから出射された光は、上述のように光学シート6によって更に均一化され、輝度が向上される。
この実施例においては、LED1として白色発光LEDを用いているが、赤青緑の有色発光のLEDを組み合わせて白色を得るようにしてもよいし、白色発光及び有色発光のLEDを組み合わせて用いてもよい。回路基板2の基材2bにはガラスエポキシ基板を用いるのが好ましいが、フレキシブル基板やメタルベースのものを使用することもできる。LED1の使用個数は対象となるバックライトユニット31のサイズによって決定される。また導光板3は、一般に、アクリル、ポリカーボネートなどの透明樹脂を射出成型することにより製造されるが、削り出しによる製造やレーザー刻印による表面パターン作成も可能である。接合部材7は、導電性樹脂、はんだなどであり、LED1と配線ランド8との電気的接続、及びLED1の固定保持が可能な部材である。
かかる構成のバックライトユニットにおいて、本実施例は、LED1の光軸1dが、回路基板2の面或いは導光板3の出光面3bと平行な方向の軸Lに対して所定角度α1上方(液晶表示パネル3aまたは導光板3の出光面3b側)に傾くように、LED1を回路基板2に取り付けたことを特徴とするものである。この傾きの角度α1を以下では「接合角度」と呼ぶ。また、LED1の光軸1dが軸Lよりも上側に傾いている状態を+方向の傾き、軸Lよりも下側(回路基板2側)に傾いている状態を−方向の傾きと呼ぶこととする。LED1を回路基板2に接合角度α1を以って取り付けることは、次の構成により実現できる。すなわち、図1に示すように、LED1を回路基板2に固定保持する際に、LED1の出射面1b側の接合面1cと配線ランド8との間に、基板印刷塗料2aの一部2cを介在させるようにし、さらに、LED1の出射面1bの反対側(図では左側)の下部が配線ランド8側に落ち込むようになっている。これにより、LED1を接合角度α1傾けた状態で回路基板2に固定保持することができる。すなわち、本実施例は、サイドビュー型LEDの出射面1b側を、基板印刷塗料に一部を用いて高くしているものである。
上述のように、LED1から出射された光は、空気層9を介して導光板3の入光面3aに入射される。LED1からの光を高い効率で受けるためには、導光板入光面3aは充分な大きさの面積を持っていなければならない。仮にLED1の光軸1dが軸Lと平行である場合は、LED1から下方(回路基板2側)に向かう光の一部が導光板3に届く前に反射シート5あるいは回路基板2に当たり、一部は反射するもののその反射した光が入光面3aに到達しない場合が多く、またその他の大部分が熱エネルギーに変換され損失となり、光として利用することができなくなってしまう。かかる損失は、導光板3の厚さ、すなわち入光面3aの高さ寸法を小さくした場合により顕著となる。
更に、LED1を回路基板2に実装する際の取り付け誤差や位置ずれ、或いは、はんだ等の結合部材7の空間的な溶解度合いのばらつきなどによって、−方向の傾きが生じた場合にも上記損失が大きくなる。ここで、接合角度αとバックライトユニットから出射される光の輝度との関係のシミュレーション結果を図9に示す。図9から明らかなように、接合角度αとバックライトユニットからの光の輝度は略比例関係にあり、接合角度が負、すなわち−方向の傾きが生じると輝度が低下する。
また、接合角度0°を基準にしてLED1を回路基板2上に実装しようとする場合、図11に示されるように、上述した誤差、位置ずれなどによって実際の接合角度が0°を中心に範囲B内でばらつきを生じ、これに伴いバックライトユニットの輝度も範囲C内でバラツキが生じる。従って、接合角度0°を基準にしてLED1を回路基板2上に実装すると、部分的に輝度が低いか全体的に輝度が低いバックライトが製造される可能性がある。このため、導光板の入光面3aを大きくしたとしても、光学的な効率には上限がある。
これに対し、図1に示された本実施例の構成においては、LED1から下方に向かう光は反射シート5あるいは回路基板2にはほとんど当たらず、導光板3の入光面3aまで届く。このため、LED1からの光を高い効率で利用することができる。また、LED1の取り付け誤差や位置ずれなどによって−方向の傾きが生じることが防止され、上述した損失の発生を抑制することができる。
次に、LED1を傾けて固定保持するための、形状、工程などを図3ないし図5を参照しながら詳細に説明する。
図3は回路基板2のLED搭載部の説明図である。図3において、複数の配線ランド8間の一部分に基板印刷塗料2aを塗布せず、基材2bを露出させている。一方で2c部分においては基板印刷塗料2aを、配線ランド8に覆いかぶさる形で塗布する。すなわち、図3におけるA−A断面図では、左右の配線ランド8の間は、基材2bが露出しており、B−B断面図では、2つの配線ランド8の間は基板印刷塗料2b(2c)が塗布された状態である。
図4は、LED1を回路基板2に搭載した状態を示した図である。LED接合面1cの出射面1b側には基板印刷塗料2a(2c)が配置されており、逆側は、基板印刷塗料2aが無いため、配線ランド8と接触するようにして、LED1を回路基板2に固定保持されることになる。このようにすることにより、LED1に傾きが生じ、LED1の出射面1bは回路基板2の平行方向に比べ上方向を向く。すなわち、+方向の接合角度α1が生じることになる。
図5を用いて、本実施例に係るLED1の回路基板2への実装プロセスについて説明する。ここでは、結合部材7がペースト状のはんだの場合について説明する。
第1工程において、回路基板2に設けられた配線ランド8上に結合部材7を通常の印刷工程によって塗布する。
次に第2工程において、LED1を配線ランド8上に置く。この際に、LED1の接合面1cのうち、発光面1b側の一端が回路基板2の基板印刷塗料2a(2c)上に乗るように置く。図4では接合面1cの他端は配線ランド8のはんだ上にあるが、回路基板2の基材2b上にあってもよい。
続いて第3工程では、はんだリフロー工程により、結合部材7が溶解し、そのときLED1は自重から接合面1cの発光面1b側が基板印刷塗料2a(2c)と密着し、一方、逆側が配線ランド8と密着する。これによって、図に示すように、LED1の出射面1bが、回路基板2に対して上向きの傾斜をもった状態、すなわち+方向の角度α1の傾斜を以って回路基板2に固定保持することができる。
上記+方向の傾斜は、基板印刷塗料2cの厚さにより調整することができる。例えば、LED1の奥行き(図5の紙面左右方向の寸法)が1.5mmで、基板印刷塗料2cの厚さが0.1mmの場合、LED1の接合角度α1は、tan−1(0.1/1.5)=3.8°の傾斜になる。リフロー工程時のばらつきは、α1を中心にばらつくことになる。
図6は、本実施例を適用した場合の接合角度αとバックライトユニットからの光の輝度との関係をシミュレーションした結果を示している。本実施例では、接合角度αは、α1を中心に範囲Dでばらつきが生じ、そのときのバックライトとしての輝度は範囲Eとなる。比較のため、図9に示された、接合角度α=0を基準にしてLED1を回路基板2に実装したときの範囲B及び範囲Cも併せて図示している。図に示すように、接合角度α=0を基準にして実装した場合の輝度範囲Cよりも、本実施例のように接合角度α1で実装した場合の輝度範囲Eの方が、高輝度であり、また輝度のばらつきも小さいことがわかる。
すなわち、同じ光量のLEDを用いた場合、本実施例に係る液晶表示装置の方が高輝度とすることができ、また局所的或いは全体的に輝度が低くなることを防止することができる。また、LEDの光量を下げても接合角度α=0を基準にして実装した場合と同じ輝度を得ることができるため、低消費電力化を図ることができる。
尚、接合角度α1は図6や図9から明らかなように大きすぎても光の利用効率が低下するため、おおよそ1°〜5°程度とすることが好ましい。また、LED1を+方向に傾けるのと併せて、導光板3の入光面3aをLED1側に傾むくような斜面として更に入射効率を高めるようにしてもよい。
このように、本実施例によれば、LED1の光軸1dを上側に傾けて配置しているので、光の利用効率を向上でき、輝度を向上せしめたバックライトユニット及びそれを用いた画像表示装置を提供することができる。また本実施例によれば、輝度のばらつきも抑制することができ、より高画質な画像を表示することが可能となる。
図12は本発明の第2実施例に係るバックライトユニットにおけるLEDが配置されている部分付近の断面拡大図を示している。第1実施例がサイドビュー型のLEDを用いているのに対し、この第2実施例はトップビュー型のLEDを用いていることを特徴とするものである。また第2実施例では、トップビュー型のLEDからの光を導光板3の出光面3aと平行な方向に向かせるために、LED1が実装された回路基板2の面が入光面3aと平行となるように、回路基板2を、バックライトユニット背面側に設けられた平板状の金属製シャーシ12に直立させて取り付けている。ここで、LED1は出射面1bを含む面が2mmx3mmで奥行きが1.5mm程度のサイズを有するトップビュー型の白色発光LEDである。
LED1を回路基板2へ実装する方法や構成は、第1実施例で説明したものと基本的には同様であるが、本実施例ではトップビュー型のLEDを用いており、上述のようにLEDが実装された回路基板2はシャーシ12に対し直立して設けられているので、実装方法が一部異なっている。すなわち、本実施例では、まず、回路基板2の面を水平にしてはんだ等の結合部材7を塗布し、LED1の出射面1bを上にした状態で回路基板2に載置する。このとき、LED1の一端が基板印刷塗料2aに乗り上げ、かつ他端が基板印刷塗料2a塗布されない配線ランド8上に落とし込んだ状態で回路基板2載置する。このように載置することにより、LED1の光軸1dを回路基板2に面と直交する方向に対して予め角度α2傾斜させることができる。続いて、結合部材7を溶解させる工程を経てLED1を回路基板2に固定保持する。その後、LED1が基板印刷塗料2aに乗り上げた方を下にし、回路基板2を立てた状態(すなわち回路基板2の面をシャーシ12の面に対して垂直)にしてシャーシ12に取り付ける。これによって、トップビュー型LED1の光軸1dの接合角度が+方向のα2となる。
このように、第2実施例によれば、トップビュー型LEDであっても接合角度を+方向にすることができるため、第1実施例と同様に、光の利用効率を向上でき、輝度を向上せしめたバックライトユニット及びそれを用いた画像表示装置を提供することができる。また本実施例によれば、輝度のばらつきも抑制することができ、より高画質な画像を表示することが可能となる。
1…LED
2…回路基板
3…導光板
5…反射シート
6…光学シート
7…接合部材
8…配線ランド
9…空気層
12…シャーシ
30…液晶表示パネル
31…バックライトユニット
32…前枠
33…バックカバー

Claims (8)

  1. 発光ダイオードと、該発光ダイオードが設けられた基板と、該基板上に載置される導光板とを含み、該導光板の側面に前記発光ダイオードからの光が入射され、該入射された光を面状光として該導光板の出光面から液晶パネル側へ照射するように構成されたバックライトユニットにおいて、
    前記発光ダイオード出射面が前記導光板の出光面の方向を向くように前記発光ダイオードを傾斜して配置したことを特徴とするバックライトユニット。
  2. 請求項1に記載のバックライトユニットにおいて、前記発光ダイオードはサイドビュー型の発光ダイオードであり、該サイドビュー型の発光ダイオードの出射面が前記導光板の入光面と対向するように配置されることを特徴とするバックライトユニット。
  3. 請求項2に記載のバックライトユニットにおいて、前記サイドビュー型の発光ダイオードの出射面と前記基板との間に、前記発光ダイオードを傾斜して配置するための部材が介在されていることを特徴とするバックライトユニット。
  4. 請求項3に記載のバックライトユニットにおいて、前記部材は、前記基板に塗布される印刷塗料であることを特徴とするバックライトユニット。
  5. 請求項1に記載のバックライトユニットにおいて、前記発光ダイオードはトップビュー型の発光ダイオードであり、該トップビュー型の発光ダイオードの出射面が前記導光板の入光面と対向するように配置されることを特徴とするバックライトユニット。
  6. 請求項5に記載のバックライトユニットにおいて、前記回路基板が、前記バックライトユニットの背面側に配置されるシャーシに対して垂直となるように設けられることを特徴とするバックライトユニット。
  7. 発光ダイオードと、該発光ダイオードが設けられた基板と、該基板上に載置される導光板とを含み、該導光板の側面に前記発光ダイオードからの光が入射され、該入射された光を面状光として該導光板の出光面から液晶パネル側へ照射するように構成されたバックライトユニットにおいて、
    前記発光ダイオードの光軸が前記導光板の出光面と平行な方向に対して所定角度前記出光面側に傾斜するように前記発光ダイオードを配置したことを特徴とするバックライトユニット。
  8. 請求項1〜7のいずれかに記載のバックライトユニットを搭載した画像表示装置。
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