JP5295523B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、非自発光型の表示装置の光源に関し、特にＬＥＤ（発光ダイオード）を光源として用いたバックライトを有する液晶表示装置に関する。

近年、表示装置として液晶表示装置が多用されている。特に液晶表示装置は、薄型、軽量、省電力であることから携帯用機器の表示部として用いられている。

しかしながら液晶表示装置は、自発光型でないために照明手段を必要とする。一般に液晶表示装置の照明装置には、バックライトと呼ばれる面状照明装置が普及している。従来バックライトの発光素子（光源とも呼ぶ）には冷陰極放電管が用いられているが、近年、ＬＥＤを用いたものも携帯用機器にて利用されている。

ＬＥＤを光源として用いる液晶表示装置は、例えば下記「特許文献１」などにより提案されている。また、ＬＥＤを用いた導光板を有するバックライトの構成に関しては下記「特許文献２」にも記載がある。

特開昭６４−８８４２６号公報 特開２００５−０７７７５３号公報

ＬＥＤを多数使用し、高輝度化しようとすると動作温度が上昇して、発光効率が低下するという問題が生じる。そのため、回路基板に金属板等を用いて放熱に考慮した構成とすることが試みられることになる。ただし、金属板は柔軟に変形しないため実装形態が制限される。

また、より高輝度の液晶表示装置を実現しようとすると、発光素子の数が増加するが、それにともない、発光素子に電圧を供給する配線の数も増加し、配線を形成する回路基板の面積も増加することとなる。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、その目的は、多数の発光素子を備えたバックライトを有する液晶表示装置において、回路基板の面積が増加しても、信頼性が高く、効率良く回路基板を収納可能なバックライトを実現することにある。

液晶パネルと、液晶パネルに光を照射するバックライトと、バックライトに設けられた複数の発光素子と、発光素子が配置される回路基板と、発光素子の光が入射する導光板と、回路基板および導光板とを収納する収納ケースとを有し、収納ケースの上面と底面との間を回路基板近傍で他よりも厚く形成する。収納ケースと導光板との間にはクッション材を配置した液晶表示装置とする。

本願発明は、液晶表示装置において、バックライトの放熱に考慮し、ＬＥＤを発光素子として用いたバックライトにおいて、面積が増加した回路基板を効率良く収納可能なことを特徴とする。

本願発明によれば、ＬＥＤを発光素子として用いる液晶表示装置において、信頼性の高いＬＥＤ光源を得ることが可能となる。また、ＬＥＤ光源を効率良く収納することが可能となる。

液晶パネルと、液晶パネルに光を照射するバックライトとを有する液晶表示装置であって、バックライトは、導光板と、導光板の一辺に沿って形成された板状光源部と、導光板と板状光源部とを収納する収納ケースとを有し、導光板は板状光源部からの光が入射する入射面と、光が出射する出射面と、出射面に対向する底面とを有し、出射面と底面とは一定の厚さを有し、板状光源部は発光素子が搭載された光出射面を有し、光出射面を導光板の入射面に対向させて配置する。

板状光源部の導光板厚さ方向の幅は、導光板の厚さよりも厚く形成され、導光板の厚さより幅が広い板状光源部を収納するよう、収納ケースの上面と下面との間隔は導光板入射面近傍で、他の部分よりも厚く形成される。導光板の入射面の一部は板状光源部側に向けて突出し、導光板の突出部と板状光源部との間にクッション材を設ける。

導光板と底面と収納ケースの下面との間には反射シートを設ける。板状光源部の幅が導光板の入射面の厚さより大きいため、反射シートが配置された面よりも上側と下側に板状光源部は分けられ、反射シート面より上側に発光素子が設けられ、下側に配線や回路に用いられる電気素子を設ける。

図１は、本発明による液晶表示装置１００を示す平面図である。液晶表示装置１００は液晶パネル１とバックライト１１０と制御回路８０とで構成される。制御回路８０からは液晶パネル１の表示に必要な信号及び、電源電圧が供給される。制御回路８０はフレキシブル基板7０に搭載されており、配線7１、端子7５を介して信号が液晶パネル１に伝達される。また、バックライト１１０にも必要な電圧が配線１７３を介して供給される。

バックライト１１０は、導光板１２０と光源１３０と収納ケース１８０とから構成されている。バックライト１１０は液晶パネル１に光を照射する目的で設けられる。液晶パネル１ではバックライト１１０から照射された光の透過量または反射量を制御して表示を行う。なお、バックライト１１０は観察者に対して液晶パネル１の裏面側または前面側に重ねて設けられるが、図１では解り易くするために、液晶パネル１と並べて表示している。バックライト１１０の詳細については後述する。

液晶パネル１の画素部８には画素電極１２が設けられている。なお、液晶パネル１は多数の画素部８をマトリクス状に備えているが、図が煩雑になることを避けて、図１では画素部８を１つだけ図示している。マトリクス状に配置された画素部８は表示領域９を形成し、各画素部８が表示画像の画素の役割をはたし、表示領域９に画像を表示する。

液晶パネル１には、図中ｘ方向に延在しｙ方向に並設されるゲート信号線（走査線とも呼ぶ）２１と、ｙ方向に延在しｘ方向に並設されるドレイン信号線（映像信号線とも呼ぶ）２２とが設けられており、ゲート信号線２１とドレイン信号線２２とで囲まれる領域に画素部８が形成されている。

画素部８にはスイッチング素子１０が設けられている。ゲート信号線２１からは制御信号が供給され、スイッチング素子１０のオン・オフが制御される。スイッチング素子１０がオン状態となることで、ドレイン信号線２２を介して伝送された映像信号が画素電極１２に供給される。

ドレイン信号線２２は駆動回路５に接続されており、駆動回路５から映像信号が出力する。ゲート信号線２１は駆動回路６に接続されており、駆動回路６からは制御信号が出力する。なお、ゲート信号線２１、ドレイン信号線２２及び、駆動回路５及び駆動回路６とは同じＴＦＴ基板２上に形成されている。

次に図２に発光素子であるＬＥＤ１５０の概略図を示す。図２（ａ）は概略断面図、図２（ｂ）は光出射側正面図を示す。

ＬＥＤ１５０は発光部であるＬＥＤチップ１５１がチップ基板１５７に搭載された構造をしている。ＬＥＤチップ１５１はｐｎ接合を有し、ｐｎ接合に電圧を印加すると特定の波長の光が出射する。ｐｎ接合を形成するｐ型半導体層にはｐ電極（アノード）１５８と、ｎ型半導体層にはｎ電極（カソード）１５９とがそれぞれ設けられる。

各ｐ電極１５８と、ｎ電極１５９にはワイヤ１５２が接続されている。ワイヤ１５２はＬＥＤ１５０を外部と接続するために設けられたチップ端子１５３とｐ電極１５８及びｎ電極１５９とを電気的に接続する。

ＬＥＤチップ１５１の出射面側には、蛍光発光部１５６が設けられる場合もある。蛍光発光部１５６はＬＥＤチップ１５１から発光する光の波長を変換する機能を有している。符号１５７はコーン状反射面で横方向に進む光を出射面側に反射させる。符号１６６はカソード（またはアノード）の位置を表示するマークである。

チップ端子１５３はチップ基板１５７の裏面で外部配線等と接続するが、チップ基板１５７の裏面から側面を経て出射面側にまで延伸してチップ搭載部１５４を形成している。チップ端子１５３と、チップ搭載部１５４とを光反射率の高い金属で形成した場合に、チップ搭載部１５４を光反射面として利用することが可能である。また、チップ端子１５３と、チップ搭載部１５４とを熱伝導率の高い金属（導電部材でも良い）で形成すると、ＬＥＤチップ１５１で発生した熱をチップ基板１５７の裏面側に放熱することが可能である。

次に、図３を用いてＬＥＤチップ１５１が搭載される基板について説明する。図３（ａ）は金属基板１６１にＬＥＤチップ１５１を搭載した様子を示す概略断面図である。図３（ｂ）はＬＥＤチップ１５１が搭載される部分の概略正面図である。

搭載基板１６０は金属基板１６１にＦＰＣ１６２を配置し、ＦＰＣ１６２上に設けられた銅箔等の導電層で配線１６３を形成している。配線１６３の上には絶縁層１６４がもうけられ、導電層上に形成される絶縁層１６４の開口部により接続用のパッド１６５が形成される。

搭載基板１６０の基材を金属とすることで、チップ基板１５７の裏面側に伝わった熱を効果的に放熱することが可能である。放熱の効率を上げるためには絶縁層１６４はショートやリークの問題が生じない程度に薄いことが望ましい。本実施例では絶縁層１６４の厚さは０．１２ｍｍで熱伝導率は６．５Ｗ／ｍ・Ｋの絶縁層を使用した。

配線の端部に形成された接続用のパッド１６５には、ＬＥＤチップ１５１のチップ端子１５３が電気的に接続される。前述したように搭載基板１６０の表面には絶縁層１６４が塗布されており、配線が搭載基板１６０の表面側で他の構成物とショートすることを防止し、パッド１６５間の絶縁を保っている。パッド１６５には半田ペースト等が印刷塗布されリフロー工程等により、ＬＥＤチップ１５１が搭載基板１６０上に実装される。

半田リフロー工程を用いる理由から絶縁層１６４は半田と親和性が低い部材が選ばれるが、搭載基板１６０の表面に形成されることから、無彩色のものが好ましい。特に光の利用効率を考慮すると反射光の多い白色か白色に近いものが望ましい。反射率が高い材料としては酸化チタン等が適している。なお、１６７はカソード（またはアノード）の位置を示すマークである。視認性を高めるため絶縁層１６４に使用した色とは異なる色が用いられる。

次に図４を用いて、ＬＥＤ１５０を搭載基板１６０上に線状に搭載し板状光源１３０を形成した様子を示す。図４（ａ）は概略正面図であり、図４（ｂ）は概略断面図で、図４（ｃ）は概略斜視図である。

図４ではＬＥＤ１５０は搭載基板１６０上に６個並べて線状光源となるように配置されている。ＬＥＤ１５０はダイオードとしての特性からｐｎ接合間で一定の電圧差が生じる。このｐｎ接合間の電圧差は製造プロセスによりばらつく、そのため、最適な電圧がｐｎ接合に印加されるように調整されるが、ｎ個のＬＥＤ１５０を並列に接続するとｎ個の調整回路が必要となり、調整のために製造費用が増加するという問題が生じる。

図４では３個毎に直列につないで、３個毎に電圧を調整している。電源電圧に車載用途の１２Ｖを使用し、各ＬＥＤ１５０で生じる電位差が４Ｖ程度の場合は３個直列に接続することが効率的である。すなわち、電源電圧Ｖと、平均的なＬＥＤ１５０で生じる電位差Ｖｄと、個数ｎとの関係を、Ｖ＞＝ｎ×Ｖｄとすると効率が良い。なお、各ＬＥＤ１５０で生じる電位差が３Ｖ程度で、電源電圧が１２Ｖの場合は４個直列に接続すると効率的である。また、ｎ個直列に接続したＬＥＤ１５０の最後のＬＥＤ１５０と接地電位の間に抵抗１７２を挿入して調整を行う場合は、直列接続毎に配線が電圧供給用１７４とリターン用１７５の２本必要となる。本実施例では配線が４本となり、それぞれの配線は外部接続配線１７３に接続している。

図４（ｃ）に示すように、配線１７４、１７５は搭載基板１６０上に設けられるが、ＬＥＤ１５０の数が増加すると配線１７４、１７５を設ける面積も増加することになる。図中ＬＥＤ１５０の下側には、ＬＥＤ１５０の数に従って配線１７４、１７５が設けられている。また、回路に必要な抵抗や容量等の電気素子も搭載基板１６０上に設けられている。

次に図５を用いて導光板１２０と板状光源部１３０を収納する収納ケース１８０について説明する。収納ケース１８０は金属等を箱型に形成し、導光板１２０を上下から挟み込み収納した形状をしている。

導光板１２０は出光面１２１と底面１２２を有し、板状光源部１３０から入射した光は出光面１２１から出射する。出光面１２１と底面１２２とは一定の厚さＤを有している。導光板１２０の間隔Ｄに対して、板状光源部１３０の幅Ｗを比較すると、配線数の増加に伴い板状光源部１３０の幅Ｗは導光板１２０の厚さＤより大きくなっている。

１８１は上側ケースで出光用の開口１８３が設けられている。開口１８３から出射した光は液晶パネルに照射する。上側ケース１８１には下側ケース１８２との係止部１８４が設けられている。

１８２は下側ケースで板状光源部１３０の収納部１８６と導光板１２０の収納部１８７とを有している。板状光源部１３０の幅Ｗが導光板１２０の厚さＤよりも大きいため、板状光源部１３０の収納部１８６は導光板１８７の収納部１８７よりも下側に凹んだ形状をしている。また、下側ケース１８２には上側ケース１８１との係止部１８５が形成されており、上側ケース１８１の係止部１８４と嵌合される。

下側ケース１８２と導光板１２０の間にはクッション材１９０が設けられていて、振動等による導光板１２０の移動や破壊を防止している。

図６にバックライト１１０の出光面側平面図を示し、クッション材１９０の配置について説明する。

導光板１２０の入光面１２３とＬＥＤ１５０との距離が変動すると、入射する光量（入光率）が変動するといった問題が生じる。そのため、振動等により入光面１２３とＬＥＤ１５０との距離が容易に変動しないようにする必要がある。

したがって、ＬＥＤ１５０と入射面１２３とはほとんど接触しそうな距離で配置されることとなる。しかしながら、従来では入光面１２３とＬＥＤ１５０とが接触しても問題が無かったが、導光板１２０の面積が大きくなると、熱膨張による収縮や自重によりＬＥＤ１５０が破損したり、導光板１２０が変形するという問題が生じることを見出した。

なお、信頼性を向上させるため入射面１２３とＬＥＤ１５０との距離を広くとると入光率が低下するといった問題が生じる。

そのため、入光面１２３の両端に突出部１２４を形成し、突出部１２４と板状光源部１３０の搭載基板１６０との間にクッション材１９０を挟み込む構成とした。また、入光面１２３に対向する面と収納ケース１８０との間にもクッション材１９０が設けてある。

図７に導光板１２０の突出部１２４近傍の拡大図を示す。突出部１２４の板状光源部１３０側にクッション材１９０が設けられている。突出部１２４により入光面１２３とＬＥＤ１５０との距離が一定に保たれる。また、クッション材１９０により突出部１２４による板状光源部１３０の破損が防止可能となる。なお、クッション材１９０の色を反射率の高い白色か白色に近いものを選ぶと、ＬＥＤ１５０の光が凹んだ収納部１８６から漏れることを防止することが可能である。

板状光源部１３０の幅Ｗは入光面１２３の高さＤよりも大きくなっており、それに伴い下側ケース１８２には収納部１８６が形成されている。下側ケース１８２の下面１８８は金属板で形成され、下面１８８は板状光源部１３０近傍で下側に凹むように折れ曲がり、収納部１８６を形成している。

次に図８を用いて導光板１２０を固定する構成について説明する。下側ケース１８２にはクッション材１９０と固定用突起１９４、支持部材１９５が形成されている。固定用突起１９４は導光板１２０に設けられた溝部１９２に嵌め合わされて導光板１２０を固定する。固定用突起１９２は樹脂により形成され下側ケース１８２に設けられた穴１９７により保持されている。

また、下側ケース１８２には支持部材１９５が形成され、導光板１２０の突起部１９３に嵌め合わされて導光板１２０を固定している。支持部材１９５には導光板１２０の上に配置される光学シート（図示せず）等の位置決め用突起１９６が設けられている。

図９に反射シート１１５とクッション材１９０との位置関係を示す。図９（ａ）は概略断面図で、図９（ｂ）は突出部１２４近傍の部分平面図である。導光板１２０は下側ケース１８２の下面１８８に配置されるが、導光板１２０と下面１８８の間には、反射シート１１５が設けられる。反射シート１１５の導光板１２０側の面は高反射率となっており、導光板１２０から出射した光を出光用の開口１８３側に反射する。

板状光源部１３０の幅Ｗは導光板１２０の厚さＤよりも大きくなっており、板状光源部１３０は導光板１２０の底面よりも下側に伸び、収納部１８６に配置されている。ただし、ＬＥＤ１５０は導光板１２０に光が入射するように、導光板１２０とほぼ同じ高さに位置している。

ＬＥＤ１５０から出射した光の一部は収納部１８６にも向かうが、反射シート１１５が下面１８８からＬＥＤ１５０の下端に向けて伸びており、収納部１８６に向かう光を導光板１２０側に反射する。

また、突出部１２４に向かう光の一部はクッション材１９０側にも向かうがクッション材１９０を高反射率の表面とすることで、再度導光板１２０側に反射させることが可能である。また、搭載基板１６０の表面を高反射率としても良い。

さらに、光漏れを防ぐようにクッション材１９０の下端は反射シート１１５が形成する面よりも下側にまで延伸している。また、板状光源部１３０の反射シート１１５により分けられた上側にはＬＥＤ１５０が設けられるが、下側には電気素子１７２や配線（図示せず）が設けられる。すなわち、収納部１８６は反射シート１１５によりＬＥＤ１５０等の光学素子の設けられる領域と電気素子１７２等が設けられる領域に分けられている。

図１０に外部接続配線１７３の下側ケース１８２からの取り出し方法を示す。収納部１８６の端部に切り欠き１８９を設け外部接続配線１７３を切り欠き１８９から下側ケース１８２の外側に取り出している。なお、切り欠き１８９は上側ケース（図示せず）により覆われるため、光漏れ等の問題は生じない。

本発明の実施の形態である液晶表示装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の発光ダイオードを示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の発光ダイオードを金属基板に搭載した状態を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の板状光源部を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置のバックライトの構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置のバックライトの構造を示す平面概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置のバックライトの構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置のバックライトの構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置のバックライトの構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置のバックライトの構造を示す概略図である。

符号の説明

１…液晶パネル、２…ＴＦＴ基板、５…駆動回路、６…駆動回路、８…画素部、９…表示領域、１０…スイッチング素子、１２…画素電極、２１…ゲート配線（走査信号線）、２２…映像信号線、７０…ＦＰＣ、７１…配線、７５…端子、８０…制御回路、１１０…バックライト、１２０…導光板、１３０…板状光源部、１５０…ＬＥＤ、１５１…ＬＥＤチップ、１５２…ワイヤ、１５３…チップ端子、１５４…チップ搭載部、１５５…コーン状反射面、１５６…蛍光発光部、１５７…チップ基板、１５８…Ｐ電極、１５９…ｎ電極、１６０…搭載基板、１６１…金属基板、１６２…絶縁層、１６３…配線、１６４…表面絶縁層、１６５…パッド、１６６…マーク、１６７…マーク、１７３…外部接続配線、１８０…バックライト、１８１…上側収納ケース、１８２…下側収納ケース、１８３…窓、１８４…係止部、１８５…係止部、１８６…収納部、１８７…導光板収納部、１９０…クッション材。

Claims (8)

1. 液晶パネルと、該液晶パネルに光を照射する面状光源装置と、
   該面状光源装置内で線状に配置された複数の発光ダイオードと、
   該発光ダイオードを電気的に接続し、上記発光ダイオードに電圧を供給する配線を有する回路基板と、
   上記発光ダイオードの光が入射する入射面を有する導光板と、
   上記導光板を収納する収納部とを有し、
   上記回路基板は上記導光板の入射面に対向するよう配置され、上記回路基板の下端は上記導光板の底面よりも下側に位置し、
   上記導光板の底面と上記収納部との間には反射シートが設けられ、
   上記発光ダイオードは上記回路基板の幅方向上側に配置されるとともに上記反射シートの上側に位置し、
   上記配線は上記回路基板の幅方向下側に配置されるとともに上記反射シートの下側に位置し、
   上記収納部の下面は上記導光板の入射面側で上記回路基板に沿うように上記回路基板の幅方向下側に屈曲し、上記配線が設けられた領域の上記回路基板を覆う回路基板収納部を形成しており、
   上記導光板の上記入射面の両端に、上記入射面から上記回路基板に向けて突出部が形成され、
   上記突出部と上記回路基板との間にクッション材が設けられ、
   上記突出部が上記クッション材を介して上記回路基板に接することにより上記入射面と上記発光ダイオードとの間の間隔が保たれ、
   上記反射シートは上記間隔および上記発光ダイオードの下を覆うように、上記導光板の底面から上記間隔を越えて上記発光ダイオードの下端にまで配置されることを特徴とする液晶表示装置。
2. 上記回路基板の幅は上記導光板の入射面の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 上記クッション材は高反射率な表面を有することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
4. 上記回路基板は金属板にフレキシブル基板が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
5. 液晶パネルと、該液晶パネルに光を照射するバックライトと、上記液晶パネルを制御するコントロール部とを有する液晶表示装置であって、
   上記バックライトは、導光板と、上記導光板の一辺に沿って形成された板状光源部と、上記板状光源部を覆う基板収納部とを有し、
   上記板状光源部は複数の発光ダイオードを搭載した光出射面と上記発光ダイオードに電圧を供給する配線とを有し、
   該光出射面の幅は上記導光板の厚さより厚く、
   上記導光板の下には反射シートが形成され、
   上記発光ダイオードは上記板状光源部の幅方向上側に配置されるとともに上記反射シートの上側に位置し、
   上記配線は上記板状光源部の幅方向下側に配置されるとともに上記反射シートの下側に位置し、
   上記基板収納部の上記光出射面近傍が上記板状光源部の幅方向下側に凹んで、上記配線が設けられた領域の上記回路基板を覆い、
   上記光出射面には上記反射シートの上側に上記発光ダイオードが形成され、
   上記反射シートの下側には配線が設けられ、
   上記導光板の入射面の両端に、上記入射面から上記板状光源部に向けて突出部が形成され、
   上記突出部がクッション材を介して上記板状光源部に接することにより上記入射面と上記発光ダイオードとの間の間隔が保たれ、
   上記反射シートは上記間隔および上記発光ダイオードの下を覆うように、上記導光板の下から上記間隔を越えて上記発光ダイオードの下端にまで配置されたことを特徴とする液晶表示装置。
6. 上記発光ダイオードは線状に配置されたことを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。
7. 上記導光板は収納ケースに収納され、収納ケースと導光板との間にクッション材を有することを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。
8. 上記板状光源部は金属板にフレキシブル基板が設けられたことを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。

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