JP2011086547A - 配光システム - Google Patents

Abstract

【課題】
発光ダイオードなどの点光源を用いた照明部材、システムにおいて、透明性が高く柔軟であり、更にはタック性が低く作業性もしくは取り扱い性が高く、屈折率も十分に低く出光加工の容易な材料を提供する。更には、この材料の特性を生かし、簡便で高効率な配光システムを開発する。
【解決手段】
導光シートの材料として、４−メチル−１−ペンテン、３−メチル−１−ペンテン、３−メチル−１−ブテンから選ばれる少なくとも１種類のオレフィンを（共）重合成分として用いた（共）重合体からなる導光部材を用いて得られた配光システム。入出光の手段としては、回折素子を用いる。回折素子は、熱加工、ＵＶ加工により直接加工するか、回折素子などの出光素子を別途用意し、これを導光部材に接合する。導光シートは単層でもよいし、多層フィルムでもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードなどの点光源を用いた照明部材、システムに関する。

発光ダイオードは白色発光、高輝度化、高信頼性化、低価格化により、従来の表示素子から、広く照明への適用が進んでいる。

発光ダイオードは一般的に、非常に小さな発光点を有する点光源素子であるため、いわゆる照明に用いるためには拡散素子を経由する、間接照明とするなど、実用的な照明に供するためには一段の工夫が必要となる。

一方、点光源であることは種種の光学デバイスを設計する場合には理想的であり、反射素子、導光素子などを十分な精度を持って設計できるので、広範囲の照明器具、システムの開発が可能である。

そのような中で、発光ダイオードからの光を樹脂部材を経由して必要なところへ配光し、利用に供するというシステムが開発されている。

たとえば、携帯電話の液晶ディスプレイでは、古くから発光ダイオードを用いたバックライトが用いられているが、ここでは、数個の発光ダイオードの光を導光板に入れ込んで液晶パネルの裏面に導き、拡散塗装などにより導光板から適宜パネル面に出光することで、液晶パネル面全体を均一に照明する。このような、導光板により、発光ダイオードから光をバックライトとして面光源として利用する方式は、モニタディスプレイ、ノートパソコンから、近年ではより大型ディスプレイであるいわゆる液晶テレビへとその適用範囲を広げている。

また、たとえば、携帯電話の押しボタンの照明には、従来は各ボタンの近傍に発光ダイオードを多数配置したものを用いてきたが、近年は、１~2個程度の発光ダイオードの光をいわゆる導光シートに入れ込んだ上で各ボタンの近傍まで導き、必要な箇所で導光シートに印刷、賦形などの適当な処置を行うことにより、その部分からボタンなどに光を当てるものが増えている。

このような、光源からの光を一度導光部材に入れ込み、必要な場所まで伝播させた後、当該部分で適当な方法によりこれを取り出して利用するという配光システムは、配水システムや配電システムと同様、全体の利便性とトータルエネルギーの効率的利用に好適であり、上記のような利用にとどまらず、広く一般照明に応用されることが期待できる。

配光システムでは、その効率を下げないためには、伝播ロスの小さい導光部材と、高い結合効率を有する入光、出光の工夫が必須である。低ロスの導光部材とは、透明性の高い部材であることと同義であるが、導光部材には、他に容易に取り扱えること、入出光部品の装着または加工が容易であること、更には、導光路の形状や設置状況、用途によっては十分な柔軟性を有することが求められる。透明な材料としては、ガラスのほかにポリカーボネート、PMMA、COPなどが考えられるが、いずれも剛直でもろく、型抜きなどの形状加工は往々にして困難であり、さらに、柔軟性が乏しいので他の部材に合わせるなどの応用性に乏しい。一方、いわゆる柔軟な透明フィルム材料であるPET、一般的なポリエチレン、ポリプロピレンなどの材料は、材料中に僅かに残る結晶/非結晶間の屈折率差に起因する散乱のために、導光時のロスは大きく、実用に耐えない。ここで議論される透明性に関しては、通常液晶デバイス部材として用いられている位相差フィルム、プリズムシート、拡散フィルムにおける透明性と比較して格段に高いものが求められることに注意する必要がある。たとえば、特許文献１にはプリズムシート、特許文献２には拡散シートに関する発明がなされているが、これらのシートはいずれも光をそのシートの法線方向に透過させることで機能を発現するものであり、光の透過距離はせいぜい1mm未満であるので、ある程度の光吸収、拡散は光エネルギーのロスとしては寄与が小さく、たとえば通常のポリオレフィン材料を用いても、それらが材料として通常持ち合わせるヘイズ値（0.5〜数％）
が問題になることはない。この点に関し、本特許が課題とする導光用途では、その透過距離は導光距離と同義で、適用されるデバイスにより数cmから１ｍを超えることが予想され、透過率もそのような長い距離を透過する前提で評価する必要がある。

このような、厳しい透明性を前提とした上でたとえば携帯電話のキーパッド照明用導光部材としてはシリコーンや熱可塑性ポリウレタンが用いられているが、シリコーンは高価で大量使用には向かない。また、熱可塑性ポリウレタンはいわゆるタック性が強く、部材への組み込み時や実際の利用時に他部材とくっついてしまい、作業効率が悪い。更には、これらの樹脂は常温において柔らかすぎ、組み立て工程における取り扱い性に劣る。さらには、これらの樹脂は往々にして屈折率が1.5程度と高いので、出光加工の際に容易に光を取り出すことができず、出光用材料の範囲は限られ、また出光加工にも十分な配慮が必要であった。

特開平８−２４８２１１号公報 特開平９−３１１２０５号公報

本発明では、上記のような状況に鑑み、透明性が高く柔軟であり、好ましくは更にタック性が低く作業性もしくは取り扱い性が高く、屈折率も十分に低く出光加工の容易な導光部材を提供し、更には、この導光部材の特性を生かし、簡便で高効率な配光システムを提供することを目的とする。

本発明は、点光源からの光を導光部材に入射し、照明を必要とする場所まで導光した上で、導光部材より光を取り出して用いる配光システムであって、前記導光部材の伝播距離１０ｃｍにおける白色光の層内導光透過率が５０％以上であり、前記導光部材が厚さ２００μｍのシートを作成し曲率半径０．５ｍｍで屈曲した際に破断が生じない材質で形成されている、配光システムに関する。

以下、（２）から（９）は、それぞれ本発明の好ましい実施形態の１つである。
（２）前記点光源が発光ダイオードである、前記（１）に記載の配光システム。
（３）前記導光部材より取り出した光を照明に使用する、前記（１）または（２）に記載の配光システム。
（４）前記点光源から前記導光部材への入光手段、または前記導光部材からの出光手段として、前記導光部材に回折素子を形成する前記（１）から（３）のいずれか１項に記載の配光システム。
（５）前記回折素子が、前記導光部材への熱加工により形成されたことを特徴とする、前記（４）に記載の配光システム。
（６）前記回折素子が、前記導光部材へのUV加工により形成されたことを特徴とする、前記（４）に記載の配光システム。
（７）前記回折素子が前記導光部材とは別個に形成され、その後前記導光部材への接続または貼り付けられたものであることを特徴とする、前記（４）に記載の配光システム。
（８）前記導光部材が多層フィルムであることを特徴とする、前記（１）から（７）のいずれか１項に記載の配光システム。
（９）前記導光部材が、４−メチル−１−ペンテン、３−メチル−１−ペンテン、および３−メチル−１−ブテンから選ばれる少なくとも１種類のオレフィンを（共）重合成分として用いて得られた（共）重合体を含んでなる層を少なくとも一層有することを特徴とする、前記（１）から（８）のいずれか１項に記載の配光システム。

本発明によれば、透明性が高く柔軟であり、好ましくは更にタック性が低く作業性もしくは取り扱い性が高く、加工性高い、導光部材を用いることで、簡便で高効率な配光システムを提供することができる。

配光システムの一例として、導光シートの側面から入光する場合を示す。 配光システムの一例として、導光シートの上面から入光する場合を示す。 配光システムの一例として、導光シートが多層フィルムからなる場合を示す。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本発明においては、入出光の手段として、光の回折を利用することが好ましい。これにより、高効率な配光システムが形成可能である。そのような回折素子は、熱インプリントのような熱加工で形成することが最も簡便であるが、熱硬化性樹脂またはUV硬化性樹脂を塗布した後、光学素子に対応する型を圧着し、加熱またはUV照射することによりそれら硬化性樹脂を硬化して形成してもよい。また、回折素子などの出光素子を別途用意し、これを圧接または光学接着剤などをもちいて導光部材に接合する方法は、導光部材へ出光素子を形成する際の歩留まりの問題を回避できるほか、出光箇所の選択肢が広がり設計自由度が広まるので好ましい。更には、とりあえず導光部材だけを設置し、出光は後から必要に応じて自由に行うといった使い方も可能である。

また、導光部材はしばしば実装の時に他部材との接着固定、または接触する場合があるが、特に接着剤または接触する相手の屈折率が導光部材のそれより高い場合には、その部分より光が外部に漏れ出すことがある。これに対しては、導光部材を、導光層と、それより屈折率の低いクラッド層の多層構造とし、接着または接触面側がクラッド層になるように配置することで、このような光漏れの問題を回避することができる。また、本発明者は、かかる目的に適する材料探索した結果、４−メチル−１−ペンテン、３−メチル−１−ペンテン、３−メチル−１−ブテンから選ばれる少なくとも１種類のオレフィンを（共）重合成分として用いて得られる素材が好適であることを見出した。この材料系はいわゆるＴＰＸ（登録商標）という名称で三井化学株式会社が提供している製品に代表される。ＴＰＸは結晶化に配慮した溶融押し出し成形方法を用いることにより、導光部材に十分適用できる透明性と鏡面性を有するシートを形成することが可能である。このシートは本用途に好適な柔軟性を有し、タック性がないことから作業性も高い。更に、熱可塑性であることから熱インプリントなどの微細加工や抜き加工にも好適であり、離型性が高いので、インプリント時の生産性が高く、金型汚染性も低い。また、ＴＰＸは屈折率が１．５以下と低いので、光学素子の設計は容易である。更には出光素子を後から導光部材に圧接または接着する場合、出光素子の屈折率は導光部材より高いことが望ましいので、出光素子の材料選択も広がる。なお、多層フィルムとしては、ＴＰＸを導光層として用い、クラッド層としてはそれより更に屈折率が低いフッ素化ポリオレフィンなどを用いることができるが、ＴＰＸの低屈折率性を考えれば、ＴＰＸ層をクラッド層として用い、導光層には熱可塑性ポリウレタンなどより高屈折率の材料を用いることも可能である。

本発明は、発光ダイオードなどの光源からの光を導光部材に入れ込み、照明を必要とする場所まで導光した上で、適当な手段により導光部材より光を取り出して照明等に用いる配光システムである。図１に一例を示す。この例では導光シート１に対し、入光部２としては回折素子としてプリズム型の凹凸を設けており、また、出光部３としては、印刷によるドットを用いている。この例においては、光源である発光ダイオード４からの光は入光部３の回折素子を介して導光部材１に入光し、導光シート１内を界面反射を繰り返しながら伝播した後、出光部２のドットで乱反射されることにより、導光シート１に対して出光部２とは反対側の方向に出光され、あたかも当該部が発光しているように機能する。このような形態では、入光部のプリズム型は、導光シートを抜き加工で加工する際に形成してもよいし、平側面にUV樹脂などであとから賦型してもよい。さらには、別途発光ダイオードの発光形状に合わせた回折素子を形成した上、これを導光シートの端面に接合してもよい。また、出光部については、上記のような印刷によるドット形成のほかに、レーザー加工やUV賦型、熱賦型により、プリズム形状や半球形状を形成してもよいし、導光シートの内部に当外部に後述するような貫通穴、その他拡散領域を設けてもよい。また、図２には、別の一例を示す。ここでは、発光ダイオード８の光は導光シート５の上面から照射され、入光部６に設けられた凹凸形状により反射されて導光シート５内に導かれる。また、出光部７には入光部６と同様の凹凸形状が設けられており、光は入光のときと全く逆の経路で、導光シート５に対して出光部７とは反対側の方向に出光され、あたかも当該部が発光しているように機能する。このとき、入光部６の凹凸形状は、同心円状に形成されたプリズム状の構造でもよいが、更に簡単な形状でも機能し、たとえば図１で説明したような印刷ドットや簡易加工でも一定の機能を果たす。更に、入光部６、出光部７はレーザー加工やUV賦型、熱賦型により形成することができるほか、別途形成した回折パターンをシール状に加工しておき、導光シートの必要な箇所にこれを貼る様にしておけば、あらかじめ導光シートのみを敷設し、照明パターンは別途設計し、その都度これら回折パターンシールを貼ることにより、自由度が高く、また、再設計可能な配光システムの形成が可能である。また、入光部６または出光部７は、導光シート５に対し、発光ダイオード８とは反対側となる面に銀またはアルミニウムなどを蒸着するなどして、反射鏡状とすることにより、一層その機能が向上することが期待される。また図３には多層フィルムを導光シートとした例を示す。導光シート９をコア層１０およびクラッド層１１からなるいわゆる閉じ込め構造とすることにより、発光ダイオード１４から入光部１２を介して導入された光は、コア層１０とクラッド層１１の界面で反射されながら導光するので、外部環境につよく、たとえば汚染、または配置のミスにより屈折率の高い部材が導光シート９に接触しても、クラッド層１１が遮断しているので光が当該部から漏れ出すようなことはない。但し、この場合、出光部には一段の工夫が必要で、たとえばクラッド層１１の外側に加工するだけでは機能しないので、図に示すように、たとえば出光部１３は多層フィルムを貫通するような穴を必要数設けることで光を取り出すことが可能である。もしくは当該部だけクラッド層１１を除去する、もしくは全層を貫通しないまでも、クラッド層１１を貫通するだけ十分深い凹凸形状を形成することが必要である。

本構成における導光シートの材料としては、好ましくはＴＰＸ（登録商標）をもちいているが、この樹脂は結晶性でありながらヘイズが大変小さいことが知られている。但し、本発明のような導光部材に用いるに十分なほどそのロスを抑えるには一層の工夫が必要である。本発明者は、本樹脂をシート化する際に、その内部散乱を極小化することを目的に急冷工程を設け、散乱要因である結晶粒の微小化に成功し、また、成型ロールの表面精度の最適化を測ることで表面散乱を抑制した結果、実施例に示すような高い特性を得ることができた。
なお、本発明は、上述した実施形態、および具体例に限定されることはなく、本発明の
目的を逸脱しない範囲で、適宜変更可能である。

以下、実施例／比較例を参照しながら、本発明の好ましい形態を、具体的に説明する。なお、本発明はいかなる意味においても、下記実施例に限定されるものではない。

実施例／比較例において、得られた配光システムの諸特性は、以下の方法で測定した。

折り曲げについては、小型機器での使用を想定し、直径１ｍｍの円柱に厚さ２００μｍの導光シートを巻きつけ、そのときの導光シートの割れ、ひびなどの破損を評価した。割れ、ひびの発生が認められないものを○、割れ、またはひびが発生したものを×とした。

また、加工性については、導光シートに対し抜き加工を行い、加工時のわれ、欠け、ひびなどの破損を評価した。割れ、欠け、ひびの発生が認められないものを○、割れ、欠け、またはひびが発生したものを×とした。

更に導光性については、白色光を１０ｃｍ導光したときの明るさで評価し、具体的には透過率が５０％以上のものを○、５０％未満のものを×とした。

取り扱い性については、本用途の場合、タック性があると他部材との張り付きなどが発生し、組み立て作業効率を著しく下げる。また、ある程度の硬さ、すなわち腰がないと、やはり作業中に拠れてしまい、作業性を悪化させる。これらの評価に関しては、１０ｃｍ角の導光シートを、ガラス板の同形状の領域にピンセットにより実装する実装作業を行ったときに、一度でスムーズに実装できたものを○、何度かリワークしながら実装できたものもしくはタック性による張り付きで、正しい位置に実装することができなかったものを×とした。
（実施例１）
図１で示した構造を導光シートの材料としてＴＰＸを用いて作製し、その効果を検証した。導光シート１の厚みは２００ミクロンであった。入光部２にはプリズム構造を抜き加工の際に形成したが、このときのプリズムの１辺は約１０ミクロンであった。また、出光部３としては、縦横５ミリメートルの正方形の領域に印刷により直径０．２ミリメートルの白色ドットを縦横に１０個形成して用いた。発光ダイオード４には、いわゆる側面発光型の白色発光ダイオードを用いた。
（比較例１）
比較例として、導光シートの材料としてＰＣ（ポリカーボネート）を用いた。厚み、その他構成は実施例１と同様である。
（比較例２）
比較例として、導光シートの材料としてＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を用いた。厚み、その他構成は実施例１と同様である。
（実施例３）
導光シートの材料としてシリコーンを用いた。厚み、その他構成は実施例１と同様である。
（実施例４）
導光シートの材料としてＴＰＵ（熱可塑性ポリウレタン）を用いた。厚み、その他構成は実施例１と同様である。
（実施例２）
図２で示した構造を導光シートの材料としてＴＰＸを用いて検証した。導光シート５の厚みは２００ミクロンであった。入光部６および出光部７には導光シート５の、発光ダイオードとは反対側の面の縦横５ミリメートルの正方形の領域内に同心円状のプリズム構造を熱賦型により形成したが、このときのプリズムの１辺は約１０ミクロンであった。発光ダイオード８には、いわゆる上面発光型の白色発光ダイオードを用いた。
（実施例５）
図３で示した構造を導光シートの材料としてＴＰＸを用いて検証した。導光シート９は、コア層１０として１００ミクロンのＰＣ（ポリカーボネート）を、クラッド層１１として５０ミクロンのＴＰＸを用いた。この多層フィルムはいわゆる多層押し出し法により形成したが、コア層１０およびクラッド層１１の層間剥離を防ぐため、界面にはごく薄い接着層が介在している。入光部１２は実施例１と同様の加工により、プリズム構造を形成した。出光部１３は、縦横５ミリメートルの正方形の領域に、直径０．２ミリメートルの貫通穴を縦横に１０個形成したが、この場合、光は導光シートの表裏に均等に出光されるので、導光性の評価は両面の明るさの和を評価した。発光ダイオード１４には、いわゆる側面発光型の白色発光ダイオードを用いた。

評価の結果は表１にまとめられている。本発明による実施例では、いずれも導光シートに求められる必要用件をすべて満たしており、また、十分な導光性が得られるので、実用上好適な配光システムを形成することができる。

本発明によって、発光ダイオードなどの点光源を用いた照明部材、システムにおいて、透明性が高く柔軟であり、更にはタック性が低く作業性もしくは取り扱い性が高く、屈折率も十分に低く出光加工の容易な配光システムが提供されるので、産業上の利用可能性は高い。

１ 導光シート
２ 入光部
３ 出光部
４ 発光ダイオード
５ 導光シート
６ 入光部
７ 出光部
８ 発光ダイオード
９ 導光シート
１０ コア層
１１ クラッド層
１２ 入光部
１３ 出光部
１４ 発光ダイオード

Claims (9)

1. 点光源からの光を導光部材に入射し、照明を必要とする場所まで導光した上で、導光部材より光を取り出して用いる配光システムであって、前記導光部材の伝播距離１０ｃｍにおける白色光の層内導光透過率が５０％以上であり、前記導光部材が厚さ２００μｍのシートを作成し曲率半径０．５ｍｍで屈曲した際に破断が生じない材質で形成されている、配光システム。
2. 前記点光源が発光ダイオードである、請求項１に記載の配光システム。
3. 前記導光部材より取り出した光を照明に使用する、請求項１または２に記載の配光システム。
4. 前記点光源から前記導光部材への入光手段、または前記導光部材からの出光手段として、前記導光部材に回折素子を形成する請求項１から３のいずれか１項に記載の配光システム。
5. 前記回折素子が、前記導光部材への熱加工により形成されたことを特徴とする、請求項４に記載の配光システム。
6. 前記回折素子が、前記導光部材へのUV加工により形成されたことを特徴とする、請求項４に記載の配光システム。
7. 前記回折素子が前記導光部材とは別個に形成され、その後前記導光部材への接続または貼り付けられたものであることを特徴とする、請求項４に記載の配光システム。
8. 前記導光部材が多層フィルムであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の配光システム。
9. 前記導光部材が、４−メチル−１−ペンテン、３−メチル−１−ペンテン、および３−メチル−１−ブテンから選ばれる少なくとも１種類のオレフィンを（共）重合成分として用いて得られた（共）重合体を含んでなる層を、少なくとも一層有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の配光システム。

Images