ディスプレイ用照明装置

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【発明の名称】	ディスプレイ用照明装置
【発明者】	【氏名】松島純治
【要約】	【課題】液晶パネルなどに付属して、電力消費が少なく面領域に対して均一の明るさの光を供給できる、ディスプレイ用照明装置を開発すること。【解決手段】導光板１において、光を透過させる必要のない側端面６などに金属被膜１３を蒸着して、導光板１の表面２には光源１５を収容するための採光部７を設け、下端面５には切り欠き８を設けて光を窓領域１０に反射させて、上端面４と側端面６には光を表面２に向けて反射するよう、傾斜部１１を設け、この傾斜部１１に光を送るため、光を屈折させる空間部９を設けて、これらの相乗効果で光源１５から放射された光を、窓領域１０の全面に均一に拡散して外部に放射することが可能である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】導光板（１）の表面（２）または裏面（３）に、光源（１５）を組み込むための凹溝形状の採光部（７）を形成したことを特徴とする、ディスプレイ用照明装置。
【請求項２】前記導光板（１）は、光を透過する必要のない面に、金属皮膜（１３）を蒸着形成してあることを特徴とする、請求項１記載のディスプレイ用照明装置。
【請求項３】前記導光板（１）は、採光部（７）を基準に窓領域（１０）とは反対側にあたる下端面（５）に、湾曲形状の切り欠き（８）を設けてあることを特徴とする、請求項１または２記載のディスプレイ用照明装置。
【請求項４】前記導光板（１）は、窓領域（１０）を取り囲む上端面（４）と側端面（６）のいずれか、または両面に、傾斜部（１１）を設けたことを特徴とする、請求項１、２または３記載のディスプレイ用照明装置。
【請求項５】前記導光板（１）は、採光部（７）と窓領域（１０）との間に、導光板（１）をくりぬいて形成された空間部（９）を設けてあることを特徴とする、請求項１、２、３または４記載のディスプレイ用照明装置。
【請求項６】導光板（１）の表面（２）に金属皮膜を蒸着形成して、裏面（３）側の窓領域（１０）から光を放射することを特徴とする、請求項１、２、３、４または５記載のディスプレイ用照明装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、携帯電話機に使用されている小型の液晶パネルなど各種のディスプレイ機器に組み込まれて、暗所での視認性を向上するためのディスプレイ用照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータや携帯電話や車載ナビゲーションシステムなどの普及に伴い、液晶物質を利用して文字や映像などの視覚情報を伝達する液晶パネルは、非常に身近なものになっている。しかし液晶パネルは、従来のブラウン管とは異なり、自らは光を放射しないため、暗所で使用する場合や十分な明るさを確保したい場合、別途に光源を確保する必要がある。この光源は多様で、例えばディジタル表示の腕時計では、液晶パネルの近傍に小型の電球などを使用したり、またコンピュータディスプレイや携帯電話機などでは、冷陰極管や、ＥＬと呼ばれる発光素子や、白色系発光ダイオード（以下白色ＬＥＤと記述する）が使用されている。腕時計を除き、これらの光源は液晶パネルの裏面に配置され、液晶パネルの内部を透過した光が外部に放射される方式であり、この構造を一般にバックライトと称している。
【０００３】携帯電話機は、本来の通話の機能に加えて、文字や映像の送受信を行う情報端末へと進化している。したがって、ここで使用される液晶パネルも、従来の白黒からカラーへと切り替わり始めている。白黒表示の場合は外部からの光を液晶パネルの内部で反射させるだけで視認性が確保できるため、バックライトも暗所での使用に耐えられる明るさで十分である。しかしカラー表示の場合は、色彩を鮮明に映し出すため、また液晶パネル内部のカラーフィルタにより光が吸収されるため、明るいバックライトが必要になる。このバックライトは携帯電話機を操作している間、連続発光して大量の電力が消費されるため、通話時間を始めとする稼働時間が短くなる問題点がある。
【０００４】この問題を解決するため、カラー液晶の表示原理を見直し、バックライトを使用しない方式の携帯電話機が既に市販されている。この方式では、液晶パネルの裏面から表面に向けて、バックライトからの光を透過させる必要がないので、液晶パネルの内部に金属膜を組み込み、外部からの光を効率よく反射させることができる。しかし暗所での使用に配慮して何らかの光源は必要であり、図８のような液晶パネルの表面に光を放射する方式のフロントライトが使用されている。
【０００５】フロントライトの光源には、直流電流で作動するため電気回路が簡単で、光へのエネルギー変換効率が高い上に低発熱で長寿命という、優れた特性を持つ白色ＬＥＤが使用されている。フロントパネルは白色ＬＥＤのほかに、光源からの光を拡散させる矩形レンズや、液晶パネルの表面に配置され、かつ矩形レンズにも接触する導光板などから構成される。光源から導光板の内部に透過した光を液晶パネルに向けて反射させるため、導光板の表面には微細溝が加工されており、この微細溝の形状は、液晶パネルの表示を明瞭に視認できることにも配慮して設計する必要がある。このようにフロントライトは複雑な構造であるが、液晶パネルの表面に直接光を照射することから、バックライトに比べて少ない消費電力でバックライトと同等の解像度が得られるため、今後ますます普及することが確実である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前記のフロントライト方式は、バックライト方式に比べて消費電力は少ないものの、白色ＬＥＤから放射された光が矩形レンズの内部で拡散された後、矩形レンズに隣接する導光板に光を透過させ、その後液晶パネルに光を送る複雑な過程をたどるため、媒質の境界で反射が発生して損失を招く欠点がある。また導光板の内部に透過した光が、液晶パネルに送られない場合は、やがて導光板の外に透過して有効に活用できない。さらにカラー表示を高品位で行うため、液晶パネルの全表面に均一の明るさの光を送ることも必要であるが、従来は光源に近い部分が局地的に明るくなる問題があった。そのほか機器の小型化や製造費用の削減のため、部品点数は削減するのが望ましい。
【０００７】携帯電話機のカラー液晶パネルに使用される照明装置は、バックライト方式からフロントライト方式に切り替わり始めている。しかし携帯端末装置などに使用される、より大型の液晶パネルは、従来のバックライト方式が主流である。また携帯電話機でも、バックライト方式は既に製造設備が完成しており、しかも他の用途向けと同一設備で製造できるためコストダウンが可能であり、今後も引き続き製造される。バックライトには、白色ＬＥＤや冷陰極線管やＥＬなどが使用されているが、白色ＬＥＤは点光源のため明るさにムラが発生しやすく、冷陰極線管は線光源のためムラの発生は少ないが電気回路が複雑になり、ＥＬは面全体で発光するが寿命や効率が白色ＬＥＤに比べて劣り、交流電流が必要になる場合もあるなど、それぞれ問題がある。
【０００８】液晶パネルの照明以外に、暗闇の中で使用される電気器具の操作パネルや表示板に、蛍光塗料や小型の照明を設ける場合、蛍光塗料は長時間連続して発光することは難しく、また照明がついていても、複数のスイッチが一カ所にまとめて配置されている場合には、目的のスイッチを識別するのが難しい。そこでスイッチの周辺を面領域で照明して文字なども視認できると、迷うことなく目的のスイッチを操作できるはずである。この照明は夜間に連続で発光することから、消費電力は少なく、しかも光源の寿命が十分に長いことが望ましい。
【０００９】本発明はこうした実情を基に開発されたもので、導光板の内部に光を透過させる際の損失を防止し、しかも液晶パネルの有効視界面などの面領域に効率よく均一の明るさの光を送り、さらに電力消費も少ないディスプレイ用照明装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するための、本発明によるディスプレイ用照明装置の詳細を以下に記載する。請求項１記載の発明は、従来は別体であった矩形レンズと導光板を一体化して導光板に直接光源を組み込むものである。光源は、前記のような長所を持つ白色ＬＥＤを想定しているが、これに限定されることはない。導光板は長方形の薄い板形状で外部側を表面、液晶パネル側を裏面と呼び、端部は全周に渡ってフレームで挟み込まれているため、水分などは侵入できない。本発明では、フレームの下に埋もれて外部から見えない導光板の端部に、光源を組み込むための採光部を設ける。この採光部は導光板の表面に設けられた凹溝で、光源よりわずかに大きい寸法が望ましく、光源から放射された光は直ちに導光板の内部に透過する。なお採光部は導光板を貫通させてもよいが、貫通させないで光源を取り囲み、光を逃さずに導光板に透過させるのが望ましく、さらにレンズのコーティングと同様に反射防止のための薄膜層を採光部に形成すると、導光板内への透過率を向上できる。この採光部から光を取り入れる方式は、効率に優れるものの、光源の近傍が局地的に明るくなるため、導光板の内部で光を拡散させる必要がある。
【００１１】導光板において液晶パネルの有効視界面に重なる部分を窓領域と呼び、この領域は表面と裏面ともに光を透過させて、液晶パネルの視認性を確保する必要がある。また採光部も光を透過させる必要があるが、それら以外の面では光源からの光を空気中に透過させる必要はなく、むしろ積極的に反射させて導光板の内部に留めて、できるだけ多くの光を液晶パネルに送るべきである。しかし導光板の内部から空気中に光が進む場合、通常は高い透過率で空気中に進入する。そこで請求項２記載の発明のように、フレームの下に埋もれる導光板の端部全周など、光を透過させる必要がない面に金属皮膜を蒸着形成して、光を強制的に全反射させるのが望ましい。この結果、導光板の内部の光は窓領域に到達するか、あるいは減衰するまで反射を繰り返すことになる。
【００１２】採光部から導光板の内部に透過した光の全てが、窓領域に向けて直行するのが理想だが実際には全方位に拡散する。このうち採光部から窓領域とは反対側に進む光は、やがて導光板の端面に到達して金属皮膜で反射されるが、この際の入射角によっては窓領域に直行する方向ではなく、この方向に対して一定の交角をなす方向に反射される場合がある。このような光は、導光板の中を反射を繰り返した後に窓領域に到達するため、減衰量が多くなる。
【００１３】そこで、採光部から窓領域とは反対側に進んだ光が反射される際に、窓領域に向けて直行するよう進路を変更させるため、請求項３記載の発明のように、採光部から見て窓領域とは反対側の端面に、湾曲形状の切り欠きを形成する。この切り欠きは、光源から一直線に到達した光を、極力窓領域に直行する向きに反射するよう形状を決める必要がある。さらに光源近辺が局地的に明るくなるのを防止するため、切り欠きで反射される光を光源から離れた方向に向けて、明るさの均一化を促進することも可能である。また切り欠きを形成して発生した空間に、光源につながる電気配線や電子部品を収容することもできる。
【００１４】請求項３記載の発明により、光源から導光板の内部に透過した光は効率よく窓領域に送られた後、直接または導光板の表面の窓領域に加工された微細溝に反射して、液晶パネルに送られる。なお微細溝は、導光板の表面に対してほぼ平行に進む光を液晶パネルに向けて反射するが、液晶パネルを視認する際の、導光板の表面に対して垂直に進む光は、そのまま透過する。したがって窓領域に送られた光を確実に液晶パネルに届けるには、微細溝に光を送る必要があり、請求項４記載の発明のように導光板の端面に傾斜部を設けるのが望ましい。この傾斜部は導光板の裏面と端面で構成される角部を削り取った形状で、窓領域を取り囲んでいる。そのため導光板の内部を進む光が傾斜部に入射すると、導光板の表面に向けて反射され、微細溝を経て液晶パネルに効率よく光を送ることができる。
【００１５】請求項４記載の発明の傾斜部を有効に機能させるには、光源側から窓領域に進む光を直進させずに、扇形に拡散させて導光板端面に向けることが望ましい。また光源の近傍は局地的に明るくなるため、これを拡散させる必要がある。そのため請求項５記載の発明のように、導光板において、光源と窓領域の間に溝状の空間部を設けると、この領域を光が通過する際に媒質の境界で屈折され、扇形に拡散させることができ、また空間部の周囲に波形溝を形成すると、空間部を通過するあらゆる光が乱屈折されて光の拡散を一層促進できる。この空間部は、導光板を貫通させてもよいが、製造上の問題などがあれば貫通させる必要はない。空間部の形状は、導光板の屈折率や光の軌跡や傾斜部の位置など、複数の要因を考慮して決める必要があり凸レンズ状が最適だが、機器の大きさの制約などで凸レンズ状が採用できず矩形状の場合も、波形溝により光の拡散が期待できる。なお採光部と同様に空間部の周囲に薄膜層を形成して、光が導光板と空間部の境界を通過する際の反射を防止してもよい。空間部は、文字通り空間で構わないが、導光板と異なる材質を埋め込んで、屈折率を変化させても同様の機能を果たす。
【００１６】これまでの発明により、光源からの光を広く拡散して、面全体を均一の明るさで照明することが可能である。そこで請求項６記載の発明は、導光板の表面全体に金属皮膜を蒸着形成して、裏面の窓領域から光を放射させることで、フロントライトではなくバックライトとして使用するものである。この場合は液晶パネルの裏面に、導光板の裏面が向かい合うよう配置して、導光板の裏面の窓領域から放射された光は、液晶パネルの内部を通過して外部に放射される。この際、導光板の表面の微細溝は、光を乱反射させる機能を果たし、また光の出口である裏面の窓領域に、採光部と同様の薄膜層を形成すると光の反射を防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１は本発明のディスプレイ用照明装置の構造を示す斜視図であり、図２と図３は導光板１の構造を示す各図面である。長方形の導光板１は透光性を持つ透明樹脂製で、表面２は外部を向き、裏面３は液晶パネル１４に接している。導光板１の下端面５寄りには、光源１５（白色ＬＥＤ）を組み込むための採光部７が２箇所に設けられ、また下端面５の中央部には湾曲形状の切り欠き８が形成されている。さらに光源１５から上端面４寄りには、導光板１を凸レンズ状に陥没させた空間部９がある。導光板１と液晶パネル１４が重なる部分には、窓領域１０があり、ここでは表面２と裏面３の間を光が透過するため、液晶パネル１４の表示を外部から視認できる。窓領域１０は製品完成後に最も多くの視線を浴びる箇所であり、表面２と裏面３の両面とも製造時に傷を付けることは厳禁である。そこで、窓領域１０に段差を設けて製造時に床面への接触を防止して、傷の発生を予防している。このほか上端面４および側端面６には全区間に傾斜部１１が設けられている。なお光源１５は必ず２箇所以上必要な訳ではなく、導光板１の形状を最適化することで１箇所でも同様の機能が得られる。
【００１８】採光部７は、光源１５よりわずかに大きく、表面２から掘り進められているが裏面３には貫通していないため、光源１５の発光面全てを覆うことができる。光源１５から放射された光は、直ちに導光板１の内部に透過するが、この際の透過率を向上させるため、採光部７の全面に反射防止のため薄膜層を設けている。この薄膜層はカメラなど各種のレンズに施されているものと同種である。
【００１９】導光板１には、光を透過させる必要のない上端面４，切り欠き８を含む下端面５，側端面６、および表面２と裏面３（いずれも窓領域１０を除く）には、金属皮膜１３が蒸着形成されている。そのため採光部７から導光板１の内部に透過した光は、窓領域１０に到達するか減衰するまで、金属皮膜１３によって反射を繰り返すため、外部への透過を防止して損失を削減できるほか、反射を繰り返すことで光が拡散する効果もある。図４の網掛け部が金属被膜１３が形成されている領域であるが、光を透過させる必要のある採光部７および空間部９および窓領域１０には、金属皮膜１３を形成してはならない。
【００２０】採光部７から導光板１の内部に透過した光は、同心円上に拡散するため、窓領域１０に向けて進む光も存在するが、この逆に窓領域１０とは反対側の下端面５に向けて進む光も存在する。この光は下端面５で金属皮膜１３により全反射されるが、この時の入射角度次第では、側端面６に向けて反射される場合もある。この光も側端面６で反射を繰り返しながら窓領域１０に到達するが、行程が長いため減衰が多くなる。そのため下端面５で反射された光は極力窓領域１０に直行するよう、切り欠き８を設けて反射角度を変化させる。図５は切り欠き８によって光がどのように反射されるかを示しており、光源１５の中心から切り欠き８に入射した光は、窓領域１０に直行するよう反射されていることが分かる。なお図中の点線は切り欠き８がない場合の光の反射方向を示している。また図中には示さないが、採光部７近くの下側面５にも小規模な円弧状の切り欠きを設けると、凸面鏡の効果で光源１５近傍の明るい光を分散して反射できる。さらに切り欠き８の副次的な効果として、図１に示すように光源１５につながる電気配線１６を通す空間が確保できる。
【００２１】導光板１から液晶パネル１４に光を送るには、直接裏面３の窓領域１０から光を放射するか、または表面２の窓領域１０に加工された微細溝１２に光を当てる必要がある。微細溝１２は、導光板１の表面２に対してほぼ水平に進む光は液晶パネル１４に直行するよう反射するが、液晶パネル１４を視認する際に必要な導光板１の表面２に対して垂直に進む光は、そのまま透過させる性質がある。したがって光源１５からの光を拡散させて液晶パネル１４に送るには、微細溝１２に効率よく光を送る必要があるため、導光板１の上端面４と側端面６には傾斜部１１が設けてある。傾斜部１１に到達した光は、図６（イ）のように表面２に向け反射され微細溝１２に送られるが、この微細溝１２への入射角が大きいため全反射され、液晶パネル１４に送られる。
【００２２】光源１５から直接あるいは一度だけ反射されて窓領域１０に送られる光は、拡散が不足しているため、光源１５の近傍が局地的に明るくなる。そこで光源１５の近傍の光を直接窓領域１０に送らず、空間部９を通して屈折させて側端面６の方に向けるのが望ましい。また空間部９の周囲に波形溝１７を形成すると、ここを通過する光が乱屈折させて光の拡散を一層促進できる。図６（ロ）は、空気中を基準とした導光板１の屈折率を１．５とした場合、光源１５の中心から窓領域１０に直行する光が空間部９で屈折される様子を示している。なお導光板１と空間部９の境界面を光が通過する際の反射を抑えるため、採光部７と同様に空間部９全周に反射防止のための薄膜層を設けている。
【００２３】本発明のディスプレイ用照明装置は、光源１５からの光を広く拡散して、面全体を均一の明るさで照明できるため、導光板１の表面２の全面に金属皮膜を蒸着形成して、裏面３の窓領域１０から光を放射する構造とすると、バックライトとして使用できる。この場合は、導光板１の裏面３を液晶パネル１４の裏面に対向して配置し、液晶パネル１４の内部を光が通過して外部に放射される。
【００２４】パーソナルコンピュータや携帯端末機など、携帯電話機用より大形の液晶パネルの照明に、本発明のディスプレイ用照明装置を使用する際は、一例として図７のような装置構成になる。導光板１の上端部４と下端部５の両方に計８個の光源１５を配置して、切り欠き８と空間部９も複数設ける。また側端面６には図１と同様の傾斜部１１が設けてあるが、導光板１が大型化すると窓領域１０の中央部に側端面６から光を送ることが難しいので、空間部９を光が通過する際に、表面２または裏面３向きに進路を屈折させるなどの配慮が必要である。なお図７に示す使用形態は、フロントライトとバックライトのいずれも可能である。
【００２５】本発明は、液晶パネルの照明以外にも多様な利用形態が期待でき、例えば複数のスイッチが並んだ操作パネルに埋め込んだり、タッチパネルや自動販売機の操作ボタンなどに組み込むと、暗闇の中でも確実に操作を行える。
【００２６】
【発明の効果】請求項１記載の発明により、導光板の内部に光源を組み込むための採光部を設けたことで、従来は矩形レンズから導光板に光を透過させる際に発生した損失を解消できるのに加えて、部品点数も削減できる。
【００２７】請求項２記載の発明により、光源より導光板の内部に透過した光が、窓領域に到達して外部に放射されるまでの間、連続的に金属皮膜で反射されるため、損失を低減できる。
【００２８】請求項３記載の発明により、導光板の内部に透過して窓領域とは反対側に進む光を反射する際に、進路を窓領域に向かうよう修正するため、光が外部に放射されるまでの行程を短縮して、減衰による損失を低減できる。
【００２９】請求項４記載の発明により、導光板の表面に対してほぼ水平に進む光を微細溝に向けることで、確実に外部に放射することができる。
【００３０】請求項５記載の発明により、窓領域に進む光を扇状に拡散することに加え、波形溝で乱屈折させることで、光源近傍が局地的に明るくなるのを防止して全面の明るさを均一化できる。
【００３１】請求項６記載の発明により、フロントライトとバックライトをほぼ同一の工程で生産できるため、少ない生産設備で多様な需要に対応できる。

【出願人】	【識別番号】０００１３２９３２【氏名又は名称】株式会社タカギセイコー
【出願日】	平成１３年６月５日（２００１．６．５）
【代理人】	【識別番号】１０００９０２０６【弁理士】【氏名又は名称】宮田信道
【公開番号】	特開２００２－３６７４２０（Ｐ２００２－３６７４２０Ａ）
【公開日】	平成１４年１２月２０日（２００２．１２．２０）
【出願番号】	特願２００１－１７００２１（Ｐ２００１－１７００２１）