JP2005302733A - 冷陰極放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】導入線のスパッタリングを抑制して冷陰極放電ランプの長寿命化を図ることができる冷陰極放電ランプを提供する。
【解決手段】内部導入線４ａの表面を、筒状電極５の内面を形成する材料の仕事関数値よりも仕事関数値の高い材料にて形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、液晶ディスプレイ装置等のバックライトに使用する冷陰極放電ランプに関する。

液晶ディスプレイ装置のバックライト用光源として使用される冷陰極放電ランプは、ガラス管の内面に蛍光体が塗布された発光管に電極として円筒や板状の金属を設け、水銀などを封入して、放電により発光管の内部で発生した紫外線により蛍光体を励起し可視光を得るよう構成されている。

このような冷陰極放電ランプは、液晶ディスプレイ装置の多様化に伴い、小型化、細径化、高輝度化、長寿命化といった各種の検討が行われている。従来より、ランプ内でのスパッタリングによる水銀の消耗を抑制するために、筒状電極の内面を導体で形成し、外面を絶縁体で形成して負グロー放電が筒状電極の外周面に回り込まないように構成した冷陰極放電ランプが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、上記のように構成された冷陰極放電ランプでは、高輝度が要求される大電流域での使用において、絶縁体で形成された筒状電極の外側表面を越えて負グロー放電が内部導入線に移行してしまう。このような状態では、筒状電極と外部電源との接続を行うとともに発光管の気密封着を行う目的で発光管内に引き出された導入線は筒状電極に比べてスパッタリングに弱いため、前記導入線のスパッタリング量の増加により発生するスパッタ物質が増加してランプ内の水銀が消耗され、冷陰極放電ランプの長寿命化を妨げることになる。
特開平４−１３７４２９号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、導入線の少なくとも一部の表面を、筒状電極の内面を形成する材料の仕事関数値よりも仕事関数値の高い材料にて形成することにより、導入線のスパッタリングを抑制して冷陰極放電ランプの長寿命化を図ることができる冷陰極放電ランプを提供することを目的とする。

また、本発明の請求項１記載の冷陰極放電ランプは、内面に蛍光体が塗布された発光管の端部に外部電源と接続される導入線を設け、前記導入線の一端を筒状電極と接続して放電によって前記発光管の内部で発生した紫外線で前記蛍光体を励起して可視光を得る冷陰極放電ランプであって、発光管の内部における前記導入線の少なくとも一部の表面を、前記筒状電極の内面を形成する材料の仕事関数値よりも仕事関数値の高い材料にて形成したことを特徴とする。

本発明によれば、負グロー放電の内部導入線への集中的な放電移行を抑制でき、内部導入線の余分なスパッタリングによる水銀消耗を低減でき、冷陰極放電ランプの長寿命化が図れる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１と図２は、本実施の形態１を示す。

図１に示すように、ガラス管２の内面に蛍光体３が被着された発光管１の端部には、一端が外部電源に接続され他端が導電性の筒状電極５と接続された導入線４が設けられ、発光管１の内部には適切な量の水銀と希ガスとが封入され密封されている。導入線４は、発光管１の内部で筒状電極５の非放電側の端部と接続されるとともに発光管１の気密封着を行う内部導入線４ａと、発光管１の外部で内部導入線４ａを介して外部電源と接続される外部導入線４ｂとから構成される。この導入線４を介して筒状電極５に外部電源より電流が供給されると、発光管１の内部で放電が生じ、この放電により発生した紫外線により蛍光体３が励起され可視光が得られる。

上記のように構成された冷陰極放電ランプにおいて、この実施の形態では、内部導入線４ａへのスパッタリング量を低減するために、内部導入線４ａの外面を筒状電極５と同一の材料で形成している。

以下に具体例を挙げて説明する。
図１に示すように構成された冷陰極放電ランプにおいて、ガラス管２はコバールガラス等の硬質ガラス材にて形成され、その内面には、蛍光体３として三波長域発光蛍光体が２０μｍ程度の膜厚で被着されている。発光管１には水銀及び希ガス（図示せず）が封入されている。

内部導入線４ａは、ガラス管２の端部を気密封着する働きを有するため、ガラス管２を形成する硬質ガラス材と膨張係数が近似した材料で、かつ導電性を有するものが選択される。このような金属材料としては、ＦｅとＮｉとＣｏとの合金等よりなる金属材料が使用できる。

また、筒状電極５は、上記の内部導入線４ａを形成するＦｅとＮｉとＣｏとの合金等などの金属材料と同一の材料にて形成される。この内部導入線４ａの一端は筒状電極５とレーザ溶接などの溶接により接続され、内部導入線４ａの他端は外部導入線４ｂに溶接により接続される。

このように、内部導入線４ａと筒状電極５とが同一の材料にて形成された冷陰極放電ランプを用いると、負グロー放電の内部導入線４ａへの集中的な放電移行を抑制でき、内部導入線４ａの外面が余分なスパッタリングにさらされることによる水銀の消耗を減少でき、冷陰極放電ランプの長寿命化が図れる。

また、図２に示すように、スパッタリングにさらされる内部導入線４ａの外面を筒状電極５と同一の材料からなる膜６で覆った構成としても良い。例えば、図１と同様に構成された冷陰極放電ランプにおいて、ガラス管２がホウケイ酸ガラスからなり、内部導入線４ａがタングステンにて形成され、筒状電極５がニッケルにて形成されている場合に、内部導入線４ａの発光管１の内部で露出する部分に、筒状電極５を形成する材料と同じニッケルメッキ処理を施して膜６を形成する。

このような構成によっても、上記と同様に負グロー放電の内部導入線４ａへの集中的な放電移行を抑制でき、水銀の消耗を低減できる。
なお、上記説明では、内部導入線４ａがタングステンにて形成され、筒状電極５がこのタングステンよりも仕事関数値の高いニッケルにて形成された例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、内部導入線４ａがタングステンにて形成され、筒状電極５がアルミニウム、モリブデンなどの種々の金属材料にて形成される場合にも同様の構成とすることができる。

従って、従来はガラス管２を形成するガラス材料と内部導入線４ａとの組み合わせが制限されていたため使用できる内部導入線４ａの種類が少なかったのに対し、使用できる内部導入線４ａの選択の幅が広がることとなる。また、上記のように内部導入線４ａと筒状電極５とを同じ材質にて形成する場合に比べて、内部導入線４ａの材料にかかわらず筒状電極５の材料を選択できる。

（実施の形態２）
図３は、本実施の形態２を示す。
この実施の形態２では、内部導入線４ａの少なくとも一部の表面を筒状電極５の内面を形成する材料の仕事関数値よりも高い仕事関数値の材料にて形成した点で上記の実施の形態１とは異なる。

以下、具体例を挙げて説明する。
図３に示すように、図１と同様に構成された冷陰極放電ランプにおいて、ここではガラス管２がホウケイ酸ガラス等の硬質ガラス材にて形成され、内部導入線４ａがこのガラス管２を形成する硬質ガラス材の膨張係数と近似した材料であるタングステン等にて形成されている。

筒状電極５が形成される材料は特に限定されるものではなく、例えば、内部導入線４ａと同一材料からなるタングステンや、内部導入線４ａを形成する材料の仕事関数値よりも高い仕事関数値のニッケル等や、仕事関数値の低いニオビウム等にて形成されている。

そして、内部導入線４ａの発光管１の内部で露出する部分と筒状電極５の外表面は、膜７ａ、７ｂにて覆われている。膜７ａ、７ｂは、内部導入線４ａを形成する材料の仕事関数値や筒状電極５を形成する材料の仕事関数値よりも高い仕事関数値を持つ材料、例えば内部導入線４ａがタングステンで、筒状電極５がニオビウムの場合には、銀などが使用され、蒸着により形成される。

上記のように構成された冷陰極放電ランプは、内部導入線４ａと筒状電極５の外周面が内部導入線４ａと筒状電極５を構成する材料の仕事関数値よりも高い仕事関数値を有する材料にて被着されているため、主に仕事関数値の低い材料を備えた筒状電極５の内面で負グロー放電が進行することとなる。

このような構成によっても上記と同様に、余分なスパッタリングによる水銀の消耗を抑制でき、冷陰極放電ランプの長寿命化が図れる。
なお、上記説明では、膜７ａ、７ｂとして銀蒸着によるものを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、その他、内部導入線４ａと筒状電極５の構成材料よりも仕事関数の高い材料であればよく、例えば、ＣｒやＣｕなども使用できる。

また、上記説明では、膜７ａ、７ｂが同一材料によるものを例に挙げて説明したが、膜７ｂの仕事関数値が膜７ａの仕事関数値より低い材料より構成された物や、膜７ｂを形成しないものでも同様の効果が得られる。

（実施の形態３）
図４は、本実施の形態３を示す。
図３と同様に構成された冷陰極放電ランプにおいて、この実施の形態３では、内部導入線４ａの外面と筒状電極５の外面を仕事関数値の大きい材料にて覆う代わりに、内部導入線４ａの少なくとも一部の表面を絶縁被膜８ａで覆った点で上記の実施の形態２とは異なる。

具体的には、ステンレスの４２６合金からなる内部導入線４ａのガラス管２と当接する部分には酸化膜９が形成されており、発光管１の内部における内部導入線４ａの外周面には、酸化膜９とガラス管２とのアロイ層により気密性が維持できる材料、例えば、ステンレスの４２６合金の酸化膜を形成する材料等からなる絶縁物質などにて絶縁膜８ａが形成されている。

また、例えば鉄などからなる筒状電極５の外周面は、酸化膜などによる絶縁膜８ｂにて絶縁されている。
上記のように構成された冷陰極放電ランプは、内部導入線４ａと筒状電極５の外周面が絶縁材料や酸化膜などにより絶縁されているため、導電性を有する筒状電極５の内面側でのみ負グロー放電が進行し、筒状電極５の外面と内部導入線４ａでの余分のスパッタリングによる水銀消耗を低減できる。

なお、上記説明において、内部導入線４ａおよび筒状電極５を覆う絶縁膜８ａ、８ｂは、絶縁効果を得られるものであれば特に限定されるものではなく、セラミック等の被着により絶縁されたものであっても同様の効果が得られる。

以下に、上記各実施の形態における具体例を示す。
まず、第１の実験として、図１に示す冷陰極放電ランプを、以下の手順にて作成した。
コバールガラスよりなる外径が２．４ｍｍ、内径が２．０ｍｍ、長さが３００ｍのガラス管２の内面に、色温度５０００Ｋの三波長域発光蛍光体３を膜厚が約２０μｍとなるように被着して発光管１を形成し、発光管１の端部にはＦｅとＮｉとＣｏとの合金からなる外径１．２ｍｍ、内径１．０ｍｍ、長さ５ｍｍの有底の筒状電極５を設けた。

筒状電極５の非放電側の端部には、この筒状電極５を形成するＦｅとＮｉとＣｏとの合金と同一の材料からなり外径が０．８ｍｍの内部導入線４ａを抵抗溶接により接続した。
そして、発光管１に、従来の約５００μｇの３倍に相当する約１５００μｇの水銀を封入し、緩衝ガスとしてアルゴン−ネオンの混合ガスを８ｋＰａ封入して冷陰極放電ランプを作成し、これを試作ランプＢとした。

また、試作ランプＢと比較するために、試作ランプＡを作成した。この試作ランプＡは、筒状電極５として、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ合金よりも仕事関数値が高いニッケルにて形成され、その外周面に膜厚３μｍの絶縁層であるアルミナ層が被着されたホロー電極構成の筒状電極５を用いた以外は試作ランプＢと同様にして作成した。

試作ランプＡと試作ランプＢとを用い、スパッタリングによる水銀消耗が多くなる周囲温度０°Ｃの低温下で、高周波の正弦波点灯回路を用いてランプ電流８ｍＡで点灯実験を行ったところ、図５に示す測定結果が得られた。なお、この図５は、各試作ランプを１０本づつ用いた時の点灯時間１０００時間における水銀の消耗量の平均値を示したものである。

比較のために作成した試作ランプＡは、スパッタリングによるガラス管２の内壁の黒化が内部導入線４ａの付近に濃く広がっていたことから明らかなように、負グロー放電が仕事関数値の小さい内部導入線４ａの付近に集中したため、水銀消耗量が１０００〜１４００μｇと高くなった。

一方、内部導入線４ａと筒状電極５とが同一の材料にて形成された試作ランプＢは、スパッタリングによるガラス管２の内壁の黒化が電極部全体に薄く広がっていたことからも明らかなように、負グロー放電が筒状電極５と内部導入線４ａを覆うようになり、負グロー放電の内部導入線４ａへの集中的な放電移行を抑制できた。その結果、水銀消耗量を試作ランプＡの約３分の１程度にまで抑えることができ、水銀封入量を増やすことなく冷陰極放電ランプの寿命の改善効果が得られた。

この実験結果を踏まえて、第２の実験として、図２に示すように構成された冷陰極放電ランプを作成した。ここでは、ホウケイ酸ガラスよりなるガラス管２を用い、筒状電極５をニッケルにて形成した。内部導入線４ａはタングステンにて形成し、その外面にニッケルメッキ処理を施して、膜厚５μｍ程度の膜６を形成した。そしてそれ以外は試作ランプＡと同様にして、試作ランプＣを作成した。

また、試作ランプＣの筒状電極５をアルミニウムにて形成し、内部導入線４ａの外周面にアルミニウムのメッキ処理を施して、膜厚５μｍ程度の膜６を形成した試作ランプＤを作成した。

試作ランプＣと試作ランプＤを用いて、第１の実験と同様に点灯実験を行った。得られた測定結果を図５に示す。
試作ランプＣ、Ｄともに、スパッタリングによるバルブ内壁の黒化は電極部全体に薄く広がっており、負グロー放電は筒状電極５の内外面と内部導入線４ａの全体に広がって負グロー放電の内部導入線への集中的な放電移行が抑制されていることが確認された。また、図５に示すように、試作ランプＣは水銀消耗量が３００〜４００μｇ、試作ランプＤは水銀消耗量が３５０〜４５０μｇと水銀消耗量を低減でき、試作ランプＢと同様に水銀封入量を増やすことなく冷陰極放電ランプの寿命の改善効果が得られた。この試作ランプＣと試作ランプＤは、材料の違いにより水銀消耗量に多少の差が生じたが、基本的に同様の効果が得られた。さらに加えて、電極部の構成上、試作ランプＢの場合よりも筒状電極５を形成する材料の選択範囲が広がり、幅広い応用が可能となった。

上記第２の実験にもとづいて、第３の実験を行った。
図３に示すように構成された冷陰極放電ランプにおいて、ホウケイ酸ガラスよりなるガラス管２を用い、内部導入線４ａはタングステンにて形成した。筒状電極５は、内部導入線４ａよりも仕事関数値の高いニッケルにて形成した。そして、内部導入線４ａの外周面と筒状電極５の外周面に、内部導入線４ａを形成するタングステンおよび筒状電極５を形成するニッケルの仕事関数値よりも高い仕事関数値を有する銀をスパッタ蒸着して、膜厚２μｍの膜７ａ、７ｂを形成した。そしてそれ以外は試作ランプＣと同様にして、試作ランプＥを作成した。

また、筒状電極５の材料として内部導入線４ａよりも仕事関数値の低いニオビウムを用いた以外は、試作ランプＥと同様に構成された試作ランプＦを作成した。
また、この試作ランプＥ、Ｆと比較するために、試作ランプＧを作成した。この試作ランプＧは、試作ランプＥにおいてスパッタ蒸着材料に仕事関数値の低いアルミニウムを使用して膜７ａ、７ｂを形成したものである。

試作ランプＥ〜Ｇを用いて、第１の実験と同様に点灯実験を行った。得られた測定結果を図５に示す。
試作ランプＥ、Ｆともに、スパッタリングによるバルブ内壁の黒化は電極の先端部に集中しており、負グロー放電は筒状電極５の内面に集中して内部導入線４ａの側には殆ど広がっておらず、負グロー放電の内部導入線への集中的な放電移行が抑制されていることが確認された。そのため、試作ランプＥは水銀消耗量が２００〜３００μｇ、試作ランプＦは水銀消耗量が１５０〜２５０μｇと上記の試作ランプＢ、Ｃ、Ｄよりもさらに水銀消耗量を低減できた。

一方、試作ランプＧは、スパッタリングによるバルブ内壁の黒化が筒状電極と内部導入線部に濃く広がっていたことからも明らかなように、負グロー放電は筒状電極５の内面ではなく筒状電極５の外周面と内部導入線４ａの全体に集中して、水銀消耗量が９００〜１４００μｇと大きいものとなった。

このように、内部導入線４ａの外周面と筒状電極５の外周面を内部導入線４ａと筒状電極５の構成材料の仕事関数値よりも高い仕事関数値の材料で被着することで、負グロー放電は、主に仕事関数値の低い材料を備えた筒状電極５の内面で進行し、筒状電極５の外面と内部導入線４ａでの余分のスパッタリングによる水銀消耗が抑制され、水銀封入量を増量することなく冷陰極放電ランプの寿命改善効果を増すことができる。

上記第１〜第３の実験結果を踏まえて第４の実験を行った。
図４に示す冷陰極放電ランプにおいて、ホウケイ酸ガラスよりなるガラス管２を用い、内部導入線４ａをタングステンにて形成した。内部導入線４ａとガラス管２との当接部には、ガラスと酸化膜のアロイ層を形成することで気密性を維持できる材料であるステンレスの４２６合金により酸化膜９を形成した。筒状電極５は鉄にて形成した。そして、筒状電極５と内部導入線４ａはレーザ溶接により接続し、その後、鉄にて形成された筒状電極５の外周面にディッピングにより膜厚１μｍのアルミナの絶縁層８ｂを形成した。そしてそれ以外は試作ランプＥと同様にして、試作ランプＨを作成した。

試作ランプＨを用いて、第１の実験と同様に点灯実験を行った。得られた測定結果を図５に示す。
試作ランプＨは、内部導入線４ａと筒状電極５の外周面が絶縁材料８ａ、８ｂで被着または酸化等により絶縁されていたため、負グロー放電は筒状電極５の内面にのみ集中して筒状電極５の外周面と内部導入線４ａには広がらず、スパッタリングによるバルブ内壁の黒化は電極先端部にのみ集中していた。その結果、筒状電極５の外面と内部導入線４ａでの余分のスパッタリングによる水銀消耗を１５０〜２００μｇと低減でき、冷陰極放電ランプの寿命改善効果を増すことができた。

なお、上記各実施の形態および各実施例では、筒状電極５として有底の円筒状のものを用いた例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、無底のものでも適用でき、また、筒状電極５の外側に皮膜が形成されて多層構造となったものであっても適用できる。また、冷陰極放電ランプの寸法、設計、材料、形、定格等は上記のものに限定されるものではない。

また、発光管の内部における前記導入線の少なくとも一部の表面を、前記筒状電極の内面を形成する材料の仕事関数値よりも仕事関数値の高い材料にて形成することや、発光管の内部における前記導入線の少なくとも一部の表面を絶縁被膜で覆う構成によっても、負グロー放電は主に筒状電極の内面で進行するようになるため、筒状電極の外面と内部導入線での余分のスパッタリングによる水銀消耗を抑制でき、上記と同様の効果が得られる。

本発明にかかる冷陰極放電ランプは導入線のスパッタリングを抑制して冷陰極放電ランプの長寿命化を図ることができるので、液晶ディスプレイ装置等のバックライト等に有用である。

本発明の実施の形態１における冷陰極放電ランプの要部を示す断面図 同実施の形態における図１とは別の例を示す冷陰極放電ランプの断面図 本発明の実施の形態２における冷陰極放電ランプの断面図 本発明の実施の形態３における冷陰極放電ランプの断面図 本発明の各実施の形態における点灯実験の測定結果を示すグラフ

符号の説明

１ 発光管
２ ガラス管
３ 蛍光体
４ａ 内部導入線
４ｂ 外部導入線
５ 筒状電極
６ 膜
７ａ、７ｂ 膜
８ａ、８ｂ 絶縁膜
９ 酸化膜

Claims (1)

1. 内面に蛍光体が塗布された発光管の端部に外部電源と接続される導入線を設け、前記導入線の一端を筒状電極と接続して放電によって前記発光管の内部で発生した紫外線で前記蛍光体を励起して可視光を得る冷陰極放電ランプであって、発光管の内部における前記導入線の少なくとも一部の表面を、前記筒状電極の内面を形成する材料の仕事関数値よりも仕事関数値の高い材料にて形成したことを特徴とする冷陰極放電ランプ。
   

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