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公開番号2021096978
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210624
出願番号2019228305
出願日20191218
発明の名称面状照明装置
出願人ミネベアミツミ株式会社
代理人特許業務法人虎ノ門知的財産事務所
主分類F21S 2/00 20160101AFI20210528BHJP(照明)
要約【課題】ヘッドアップディスプレイ等への利用に適し、白浮き等を有効に防止し、超高輝度や狭視野角を容易に実現することのできる面状照明装置を提供すること。
【解決手段】実施形態の面状照明装置は、基板と、レンズとを備える。前記基板は、複数の光源が2次元に配置される。前記レンズは、一体化され、前記複数の光源のそれぞれから光を入射する複数の入射面と、装置全体の出射領域が区分された複数の出射面とを有し、前記入射面から入射された光を前記出射面に伝える過程で、反射を繰り返すことにより集光する。
【選択図】図2B
特許請求の範囲【請求項1】
複数の光源が2次元に配置される基板と、
前記複数の光源のそれぞれから光を入射する複数の入射面と、装置全体の出射領域が区分された複数の出射面とを有し、前記入射面から入射された光を前記出射面に伝える過程で、反射を繰り返すことにより集光する、一体化されたレンズと、
を備える、面状照明装置。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
前記複数の光源は、個別または複数個ずつに分けられたグループ単位に点灯が駆動される、
請求項1に記載の面状照明装置。
【請求項3】
前記レンズは、入射面と出射面との間が棒状の導光体で接続されたレンズ部分が複数組み合わされ、前記レンズ部分の出射面が結合されている、
請求項1または2に記載の面状照明装置。
【請求項4】
前記レンズ部分の側面は、断面直線状または断面曲線状に形成される、
請求項3に記載の面状照明装置。
【請求項5】
前記レンズ部分の側面は、前記光源に近い側は広がり角度が小さいほぼ断面直線状に形成され、前記光源から遠い側は、出射部分側ほど間隔が大きく広がるほぼ断面曲線状に形成される、
請求項3に記載の面状照明装置。
【請求項6】
前記レンズ部分の入射面側の断面形状は正方形、長方形または楕円形のいずれかであり、出射面側の断面形状は正方形または長方形のいずれかである、
請求項3〜5のいずれか一つに記載の面状照明装置。
【請求項7】
前記レンズ部分の入射面から出射面に至る断面につき、出射面に平行な直交する方向の一方については凹曲面とされ、他方の方向については凸曲面とされる、
請求項3〜6のいずれか一つに記載の面状照明装置。
【請求項8】
前記レンズ部分同士の連結部には平坦部または湾曲部が形成されている、
請求項3〜7のいずれか一つに記載の面状照明装置。
【請求項9】
前記基板上に設けられ、前記レンズの入射面を前記光源の出射面と所定の間隔を空けた状態で支持するレンズホルダを備える、
請求項1〜8のいずれか一つに記載の面状照明装置。
【請求項10】
前記レンズホルダは、前記光源を収容する開口部を構成する複数の開口斜面について、隣り合う開口斜面の角部に設けられた支持部により前記レンズの入射面の角部を支持する、
請求項9に記載の面状照明装置。
【請求項11】
前記レンズの出射面側には、光学特性を調整する光学部材が設けられる、
請求項1〜10のいずれか一つに記載の面状照明装置。
【請求項12】
前記レンズの出射面には、光学特性を調整する微細表面形状素子が設けられる、
請求項1〜11のいずれか一つに記載の面状照明装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、面状照明装置に関する。
続きを表示(約 6,000 文字)【背景技術】
【0002】
バックライトから液晶パネルを通した光を自動車のフロントウインドウ等に映し出すヘッドアップディスプレイ(HUD:Head Up Display)が知られている(例えば、特許文献1等を参照)。
【0003】
このようなヘッドアップディスプレイのバックライトとして用いられる面状照明装置としては、超高輝度や狭視野角といった、液晶テレビ等の一般の用途における場合とは異なる特性が要求される。超高輝度が要求されるのは、面状照明装置からの光が直接に目に入るのではなく、自動車のフロントウインドウ等のスクリーンに投射されるものであり、周囲の光に対して充分に強い光が必要となるからである。また、狭視野角が要求されるのは、効率の観点から、投射する方向に光を集めることが有利だからである。
【0004】
図1Aは、従来の面状照明装置1’の平面図であり、図1Bは、図1Aにおける面状照明装置1’のY−Y断面図である。なお、図1Bにおいて、面状照明装置1’の筐体は省略されている。
【0005】
図1Aおよび図1Bにおいて、基板2’上には、LED(Light Emitting Diode)等による光源3’が、例えば、全体で2個、設けられている。光源3’の出射側には、それぞれの光源3’に対して集光を行う凸レンズが一体となったレンズ4’が設けられている。レンズ4’の出射側には輝度均一性を向上させるためのディフューザ5’が設けられている。
【0006】
光源3’から出た光は、破線L’で示されるように、レンズ4’の境界面で屈折し、出射面にほぼ垂直な、狭視野角の光となって出ていく。また、ディフューザ5’により光が拡散され、適度な配光分布に広げられて、出射面の輝度ムラが押さえられる。なお、2個の光源3’の点灯により出射面全体から光が照射される状態となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
特表2018−514796号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、従来の面状照明装置1’では、常に出射面全体から光が照射される状態であるため、特に、車載用のヘッドアップディスプレイに用いられる場合には、夜間において白浮きと呼ばれる、画面の全体が白っぽく浮き上がって見えてしまう現象が生じ、ユーザに違和感を与えてしまう。これは、液晶パネルがオフの画素についても、遮光が完全ではなく、光漏れが発生することによる。
【0009】
また、ヘッドアップディスプレイでは自動車のフロントウインドウ等に映し出すために超高輝度が要求されることから、数個(図1A、図1Bの例では2個)の光源3’に高出力のものが用いられるため、光源3’付近に発熱が集中し、放熱設計が困難であるという問題があった。
【0010】
更に、出射面の全面にわたって狭視野角とするためにレンズ4’の設計も難しく、輝度の不均一さはディフューザ5’によって解消することになり、ディフューザ5’における光の散乱により狭視野角の特性を低下させてしまうとともに、不要な方向への光の出射により輝度の低下も招いていた。
【0011】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヘッドアップディスプレイ等への利用に適し、白浮き等を有効に防止し、超高輝度や狭視野角を容易に実現することのできる面状照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る面状照明装置は、基板と、レンズとを備える。前記基板は、複数の光源が2次元に配置される。前記レンズは、一体化され、前記複数の光源のそれぞれから光を入射する複数の入射面と、装置全体の出射領域が区分された複数の出射面とを有し、前記入射面から入射された光を前記出射面に伝える過程で、反射を繰り返すことにより集光する。
【0013】
本発明の一態様に係る面状照明装置は、ヘッドアップディスプレイ等への利用に適し、白浮き等を有効に防止し、超高輝度や狭視野角を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1Aは、従来の面状照明装置の平面図である。
図1Bは、図1Aにおける面状照明装置のY−Y断面図である。
図2Aは、一実施形態にかかる面状照明装置の平面図である。
図2Bは、図2Aにおける面状照明装置のY−Y端面図である。
図2Cは、面状照明装置の点灯状態の例を示す平面図である。
図3は、レンズの厚みの短縮化の例を示す図である。
図4Aは、レンズを光源に接触させずにコンパクトに支持するレンズホルダの例を示す平面図である。
図4Bは、図4AにおけるY−Y端面図である。
図4Cは、図4Aにおける斜め方向(S方向)から見た端面図である。
図5Aは、レンズの割れを防止するための例を示す図(1)である。
図5Bは、レンズの割れを防止するための例を示す図(2)である。
図6は、光学特性の調整のための例を示す図である。
図7は、視野角特性の調整のための例を示す図(1)である。
図8は、視野角特性の調整のための例を示す図(2)である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、実施形態に係る面状照明装置について図面を参照して説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、1つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。
【0016】
図2Aは、一実施形態にかかる面状照明装置1の平面図であり、図2Bは、図2Aにおける面状照明装置1のY−Y端面図である。なお、図2Bにおいて、面状照明装置1の筐体は省略されている。
【0017】
図2Aおよび図2Bにおいて、基板2上には、LED等による光源3が2次元的に、例えば、全体で24個、設けられている。面状照明装置1全体での光源3の光量の合計は、バックライト等の用途に必要とされる所定の値となるが、従来よりも光源3の数が大幅に増え、それらが分散して配置されることになるため、放熱設計が容易になる。また、個々の光源3は、個別または複数個ずつに分けられたグループ単位に点灯・消灯の制御が可能になっており、面状照明装置1に重ねて配置される液晶パネル(図示せず)の画素値が暗いエリアに対応する光源3は消灯するか輝度が低下するように制御される。このような制御は、ローカルディミングと呼ばれている。
【0018】
光源3の出射側には、それぞれの光源3に対して集光を行うライトパイプ型のレンズが一体となったレンズ4が設けられている。ライトパイプ型のレンズは、例えば、入射面と出射面との間が棒状の導光体で接続されたレンズである。全体のレンズ4に対し、ライトパイプ型のレンズは、レンズ部分と呼ぶ場合がある。レンズ4の複数の入射面は光源3の出射面と対向している。レンズ4の出射面は、複数のライトパイプ型のレンズの出射面が結合された状態となっている。レンズ4のライトパイプ型のレンズの出射面の個々は、面状照明装置1の出射領域が均等に区分された領域に対応している。
【0019】
レンズ4のそれぞれのライトパイプ型のレンズの中では、光源3から発した光が多重に反射することで、レンズ4の出射面にほぼ垂直な方向に光が出ていき、狭視野角を達成することができる。図2Bにおける破線Lは光源3からの光が1回の反射で出射される場合について示しているが、光源3から、中心より偏った方向に出射された光は、ライトパイプ型のレンズの中で複数回反射され、徐々に方向が整えられていく。また、ライトパイプ型のレンズは、不均一な入力分布の光に対しても、内部で光が多重に反射するため、均一な出力分布が得られる。
【0020】
レンズ4は、個々のライトパイプ型のレンズの領域の中で輝度の均一性を保てばよいため、設計が容易となる。そのため、基本的には輝度均一性を保つためにディフューザを設けなくてもよく、光の散乱により狭視野角を阻害したり、不必要な方向に光を出射させたりすることによる効率の低下もない。
【0021】
レンズ4の入光側は、基板2上に設けられたレンズホルダ6により、レンズ4の入射面が光源3に接触せずに、微小な間隔(ギャップ)で対向するよう、保持されている。光源3から発した光を効率よくレンズ4に導くには光源3とレンズ4の入射面との間隔が小さい方がよいが、間隔が小さ過ぎると、振動等によってレンズ4と光源3とが衝突して一方または両方が破損してしまうため、適切な間隔を保持することが重要となる。衝突(接触)による破損のほかに、光源3の熱による樹脂製のレンズ4へのダメージを減少する上でも、適切な間隔の保持が重要となる。この点、レンズホルダ6により光源3とレンズ4の入射面との間隔が適切に保たれるため、破損等が防止される。
【0022】
図2Cは、面状照明装置1の点灯状態の例を示す平面図であり、斜線を引いた領域における光源3が消灯し、白色の領域における光源3が点灯している状態を示している。前述したローカルディミングにより、面状照明装置1に重ねて配置される液晶パネル(図示せず)の画素値が暗いエリアに対応する光源3は消灯するか輝度が低下するように制御される。そのため、ヘッドアップディスプレイのバックライトとして用いられる場合に、夜間においても、白浮きの発生を防止することができる。
【0023】
図3は、レンズ4の厚みの短縮化の例を示す図であり、レンズ4等を縦方向の断面図で示している。ライトパイプ型のレンズを用いたレンズ4では、内部で光を何回も反射させて狭視野角を達成することから、ある程度の長さが必要となり、面状照明装置1を装着する場所(例えば、自動車のダッシュボード等)のサイズの制約から、小型化が望まれる場合がある。
【0024】
図3の左側の例では、レンズ4を構成する個々のライトパイプ型のレンズの側面4aは平面状(または断面直線状)とされているが、右側の例では、レンズ4を構成する個々のライトパイプ型のレンズの側面4aは略ラッパ状の曲面状(または断面曲線状)とされている。側面4aを略ラッパ状とすることにより、(レンズ4における入光面の幅と出射面の幅とを平面状のそれらとそれぞれ同じ値と仮定した場合の)レンズ4の厚みを短縮化できる。レンズ4の側面4aが略ラッパ状とすることで、光源3に近い部分では側面4aが厚み方向にほぼ平行になる(広がり角度が小さいほぼ平面状(断面直線状)となる)。言い換えれば、一対の側面4aの間隔を出射面側に向かって広げるに際し、大きく広がることなく小さく保つことができる。このため、斜め方向の光を何度も反射させることとなり、厚みが小さくても狭視野角の範囲内に集光することができる。また、光源3から遠い部分に、出射面側ほど間隔が連続的に大きく広がる曲面状(断面曲線状)の部分を有することにより、厚みを大きくすることなく所定の広さの発光領域を確保することができる。
【0025】
レンズ4の厚みを短縮化する他の手法として、レンズ4を構成する個々のライトパイプ型のレンズの入射面と出射面とを小さくすることが有効である。この場合、レンズ4を構成するライトパイプ型のレンズの数は増えることになるが(光源3の数についても同様)、ライトパイプ型のレンズの側面4aの相対的な曲率を変えずに、つまり、内部での光の反射の特性を変えずに、厚みを小さくすることができる。なお、レンズ4を構成する個々のライトパイプ型のレンズの入射面を小さくするのに合わせて、光源3を小さくすることも有効である。
【0026】
レンズ4の厚みを短縮化する更に他の手法として、光源3とレンズ4の入射面との間隔を小さくすることや、光源3、レンズ4、レンズホルダ6等の、構造設計上の熱膨張収差を含めた部品精度、組立精度等の向上によるクリアランスの最小化が有効である。
【0027】
図4Aは、レンズ4を光源3に接触させずにコンパクトに支持するレンズホルダ6の例を示す平面図であり、図4Bは、図4AにおけるY−Y端面図である。また、図4Cは、図4Aにおける斜め方向(S方向)から見た端面図である。
【0028】
図4A〜図4Cにおいて、レンズホルダ6は、各光源3に対応して4つの開口斜面6aで囲まれた開口部6cを有しており、開口部6cの中央に光源3が配置されるようになっている。また、隣り合う開口斜面6aの角部には支持部6bが形成され、この支持部6b上にレンズ4の(矩形状の)入射面の角部が当接して支持されるようになっている。なお、レンズ4の側面4aとレンズホルダ6の開口斜面6aとの間は固着されず、所定のクリアランスが設けられている。
【0029】
レンズホルダ6の隣り合う開口斜面6aの角部の支持部6bによりレンズ4の入射面の角部が支持されることで、レンズ4の入射面を小さくした場合であっても、対角方向の長さに余裕がある部分(中央からの距離が長く、実質的に入光に寄与しない部分)に充分なサイズの支持部6bを設けることができ、レンズホルダ6の大型化を招くことなく、コンパクトにレンズ4の支持を行うことができる。
【0030】
図5Aおよび図5Bは、レンズ4の割れを防止するための例を示す図である。レンズ4と他の部品とでは熱膨張率や吸水膨張率に差があるため、レンズ4を構成するライトパイプ型のレンズ同士の連結部分に割れが発生しやすく、その対応が求められる。
(【0031】以降は省略されています)

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