JP2006228615A - 冷陰極蛍光ランプ、電極、および電極ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】耐スパッタ性と製作性に優れ、かつ経済的な冷陰極蛍光ランプを提供する。
【解決手段】冷陰極蛍光ランプ１は、気密に封止された内部空間５に少なくとも希ガスと水銀ガスとが封入され、内壁面４に蛍光体層が形成されたガラス管２と、内部空間５に配置され、一端に底面部８が、他端に開口部１０が形成され、開口部１０同士が対向するように配置された、一対の筒状電極７と、一端が底面部８に接合され、他端がガラス管２の外部に引き出されたリード線９とを有している。筒状電極７は、ニッケルまたはニッケル合金を基材とし、脱酸素作用を有する金属が添加された材料によって形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷陰極蛍光ランプ、ならびに、冷陰極蛍光ランプの一部を構成する電極および電極ユニットに関し、特に、冷陰極蛍光ランプの電極構造に関する。

冷陰極蛍光ランプは、小型化が容易で、低消費電力、長寿命といった特性により、近年、液晶パネルのバックライト等に多用されている。冷陰極蛍光ランプは、一般に、アルゴン等の希ガスと水銀ガスとを充填したガラス管の内部に一対の電極が対向配置され、各電極にリード線が接続された構造を有している。電極はカップ状に成形され、カップの開口部が互いに対向するように配置される。電極間にリード線を介して電圧が印加されると、一方の電極から電子が放出され、水銀原子に衝突し、紫外線が発生する。紫外線はガラス管の表面に形成された蛍光膜で可視光線に変換され、ガラス管の内部から可視光線が放出される。したがって、冷陰極蛍光ランプの寿命は、水銀ガスの消耗に大きく依存する。

電極は通常ニッケルで製作され、一例を示すと、ニッケル９９．７％、マンガン０．１％、鉄０．１％、その他の不純物（炭素、けい素、銅、硫黄）０．１％である。ニッケルには０．０１％程度の微量のコバルトを含んでいる。なお、以上の混合比は重量％である。ニッケルがガラス管内部のアルゴンガス等の衝撃を受けると、ニッケル原子がたたき出され、飛散する。この現象はスパッタリングと呼ばれる。飛散したニッケル原子は水銀ガスを取り込みアマルガムとなるため、水銀ガスの有効量が低減する。この結果、水銀ガスが消耗し、冷陰極蛍光ランプの寿命の低下につながる。

そこで、近年では、耐スパッタ性能の良好な電極を採用し、冷陰極蛍光ランプの長寿命化を図る技術が検討されている。具体的には、ニッケルに比べて低仕事関数で耐スパッタ性能に優れたモリブデン（Ｍo）やニオブ（Ｎb）などを使ったカップ状電極の技術が開示されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００２−３５８９９２号公報 特開２００３−１８７７４０号公報

しかし、これらの金属を用いた冷陰極蛍光ランプには、以下の問題があった。第一に、モリブデンやニオブなどの高融点金属を使った電極は、ガラス管への封入時に表面が酸化するという問題があった。具体的には、冷陰極蛍光ランプの製造工程においては、ガラス管の端部に電極を配置した後に、ガラス管の一方の端部の封止ガラス（ビードガラス）を大気中でガスバーナー等であぶり、ガラス管に溶着させて気密に封止する。しかし、ビードガラスを溶融させる際の熱が電極に伝わり、その熱によって電極表面が酸化されてしまう。電極表面が酸化すると、耐スパッタ性能が低下するため、せっかくの耐スパッタ性能が生かされないことになる。しかも、モリブデンやニオブは、一度酸化されてしまうと還元されにくいため、後工程で、水素ガス等の雰囲気で還元することも難しい。

第二に、モリブデンやニオブは高融点金属であるため、リード線を電極に溶接する際に、非常に高い熱を加えないと十分な接合強度が得られない。特に、モリブデンの融点は約３４００℃と、リード線として用いられることの多いコバールの融点（約１５５０℃）よりも相当高いため、リード線を十分に溶融させて電極に接合させる必要がある。しかし、モリブデンの電極はほとんど溶融しないため、結果的に十分な接合強度が得られないおそれがある。また、モリブデンの電極が十分に溶融する温度をかけると、リード線に過度の高温がかかり、接合が困難となる。さらに、コバール製の外管の内部に銅を充填した二重構造のリード線が用いられる場合、銅の融点は約１０８０℃とさらに低いため、内部の銅が先に溶融し、溶接時に流れ出してしまうという問題もある。銅は、ランプ使用時における電極の発熱をガラス管の外部に逃がす放熱手段として用いられるが、銅が流出すると、コバール製の外管の内部に銅で充填されない空洞部が生じ、放熱性能の低下につながる。

第三に、モリブデンやニオブは一般に高価であり、これらを基材とした電極はニッケル製の電極に比べてコストアップになりやすい。

本発明の目的は、以上の問題点に鑑みて、耐スパッタ性と製作性に優れ、かつ経済的な冷陰極蛍光ランプを提供することである。

本発明の冷陰極蛍光ランプは、気密に封止された内部空間に少なくとも希ガスと水銀ガスとが封入され、内壁面に蛍光体層が形成されたガラス管と、内部空間に配置され、一端に底面部が、他端に開口部が形成され、開口部同士が対向するように配置された、一対の筒状電極と、一端が底面部に接合され、他端がガラス管の外部に引き出されたリード線とを有している。筒状電極は、ニッケルまたはニッケル合金を基材とし、脱酸素作用を有する金属が添加された材料によって形成されている。

ニッケルまたはニッケル合金を基材とした材料に添加されたこれらの金属は、外部から酸素を取り込み、酸化物の形で結晶粒界に偏析しやすい性質がある。スパッタリングは粒子同士の結合力の弱い結晶粒界から選択的に生じる傾向があるため、結晶粒界の粒子同士の結合をこれらの金属酸化物で強化することによって、耐スパッタ性能が向上する。本発明の冷陰極蛍光ランプはまた、融点の低いニッケルまたはニッケル合金を基材としているので、リード線との接合の際の加熱を低温度でおこなうことができ、製作性が向上する。さらに、本発明の冷陰極蛍光ランプは、ニッケルまたはニッケル合金を基材としているので、筒状電極への加工性が良好であり、材料コストの抑制にも有効である。

脱酸素作用を有する金属はチタンとするのが望ましく、チタンの混合比は０.０１〜２．０重量％が好適である。

脱酸素作用を有する金属はジルコニウムとしてもよく、ジルコニウムの混合比は０.０５〜１.１重量％が好適である。

脱酸素作用を有する金属はハフニウムとしてもよく、ハフニウムの混合比は０.０５〜１.１重量％が好適である。

リード線は、外周部が導電体で形成され、内部に銅または銅合金が充填された２層構造を有していてもよい。

本発明の電極は、冷陰極蛍光ランプに用いられる筒状の電極であって、一端に底面部が、他端に開口部が備えられ、ニッケルまたはニッケル合金を基材とし、脱酸素作用を有する金属が添加された材料によって形成されている。

本発明の電極ユニットは、上記の電極と、一端が電極の底面部に接合されたリード線とを有している。

リード線は、外周部が導電体で形成され、内部に銅または銅合金が充填された２層構造を有していてもよい。

以上説明したように、本発明の冷陰極蛍光ランプは、ニッケルの結晶粒界の結合力を改善した材料を有しているので、従来のニッケル材を上回る耐スパッタ特性が実現される。また、製作性や経済性にも優れており、本発明の目的を十分達成することが可能である。

以下、本発明の冷陰極蛍光ランプの第１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の冷陰極蛍光ランプは、液晶パネルのバックライトとしての用途に好適なものであるが、他の用途の冷陰極蛍光ランプにも適用できる。図１は、冷陰極ランプの第１の実施形態の構造概略を示す断面図である。

冷陰極蛍光ランプ１は、硼・珪酸ガラスによって形成されたガラス管２の両端が封止ガラス（ビードガラス３）で気密に封止されて構成されている。ガラス管２の外径は、１．５〜６．０ｍｍの範囲内、好ましくは１．５〜５．０ｍｍの範囲内である。ガラス管２の材料は、鉛ガラス、ソーダガラス、低鉛ガラスなどでもよい。

ガラス管２の内壁面４には、そのほぼ全長に亙って不図示の蛍光体層が設けられている。蛍光体層を構成する蛍光体は、ハロリン酸塩蛍光体や希土類蛍光体などの既存または新規の蛍光体から、冷陰極蛍光ランプ１の目的や用途に応じて適宜選択することができる。さらに、蛍光体層は、２種類以上の蛍光体が混合されてなる蛍光体によって構成することもできる。

内壁面４で囲まれたガラス管２の内部空間５には、アルゴン、キセノン、ネオン等の希ガスおよび水銀が所定量封入され、内部圧力は大気圧の数十分の一程度に減圧されている。

ガラス管２の長手方向両端には、一対の電極ユニット６が設けられている。各電極ユニット６は、筒状電極７と、筒状電極７の底面部８に接合されたリード線９とから構成されている。各電極ユニット６の筒状電極７は、ガラス管２の内部空間５の長手方向端部よりもやや内側の位置に、当該筒状電極７の開口部１０と他方の電極ユニット６の開口部１０同士が対向するように配置されている。各リード線９は、その一端が対応する筒状電極７の底面部８に溶接され、他端がビードガラス３を貫通してガラス管２の外部に引き出されている。リード線９は、コバール等の導電性材料で作られる。

図２は、冷陰極蛍光ランプ１が備える電極ユニット６を示す拡大斜視図である。電極ユニット６を構成している筒状電極７は、長手方向の一方が開口部１０として開口し、他方が底面部８によって閉塞された筒状部２３を備えている。筒状電極７は、金属板を円筒状（カップ状）にプレスして成形される。リード線９は、一方の端面１２が筒状電極７の底面部８に溶接されている。

筒状電極７は、ニッケルまたはニッケル合金を基材として、脱酸素作用を有する金属（以下、添加物質という。）が添加された材料によって形成されている。添加物質にはチタン、ジルコニウム、ハフニウムが含まれる。チタンの混合比は０.０１〜２．０重量％が好ましく、ジルコニウムの混合比は０.０５〜１.１重量％が好ましく、ハフニウムの混合比は０.０５〜１.１重量％が好ましい。各混合比の上限は、主として筒状電極７の製作性に依存する。すなわち、これ以上の混合比になると、材料が硬くなり円筒状へのプレス成形が難しくなる。各混合比の下限は、詳細は後述するが、耐スパッタ性能が十分得られるという観点から設定した。

一実施例の組成は、ニッケル９９．７％、チタン０．０５％、マンガン０．１５％で、その他の不純物（炭素、けい素、銅、硫黄、マグネシウム、鉄）０．１％であった。また、ニッケルには０．０１％程度の微量のコバルトを含んでいる。

ここで、これらの金属を混合することで筒状電極７の耐スパッタ性能が向上する理由について、図３を参照して説明する。以下、チタンを例に説明するが、ジルコニウム、ハフニウムについても同様である。ニッケルまたはニッケル合金は、一般に多結晶構造をとり、結晶Ｇの境界面に結晶粒界Ｂが形成される。結晶粒界Ｂは粒子間の結びつきが弱いため、スパッタリングの影響を受けやすく、スパッタリングは主に結晶粒界Ｂから発生し、結晶Ｇの内部に徐々に広がっていく。モリブデンやニオブの場合も、酸化されると、結晶粒界Ｂから著しくスパッタリングが進行する。これらの物質は、前述したとおり、いったん酸化されると還元されにくいため、耐スパッタ性能を回復させることは難しい。

これに対し、本発明は、チタンの脱酸素特性を利用したものである。すなわち、ニッケルへの添加物は、結晶粒界Ｂに偏析しやすい傾向があり、チタンも例外ではない。そして、チタンを結晶粒界Ｂに十分偏析させ、外部からの酸素を取り込むことによって結晶粒界Ｂでの結晶同士の結合力が向上し、電極の耐スパッタ性能が向上するのである。前述した混合比の最小値は、耐スパッタ性能の向上のために十分な量のチタンが結晶粒界Ｂに分布するための必要量である。

ここで、耐スパッタ性能がどの程度向上したかを検証するため、試料を作製してスパッタ性能を確認した。試験では、ニッケルにチタン、ジルコニウム、ハフニウムを別々に添加し、添加量（重量％）を変えた複数の試料を作製し、耐スパッタ性能と、加工性を評価した。評価は純ニッケルとの相対比較とし、良好な順に◎、○、△、×とした。純ニッケルの耐スパッタ性能はあまり良好ではないため△とし、加工性は良好であるため◎とした。耐スパッタ性能は電極のスパッタ量を目視にて判定し、スパッタ量の少ない順に、◎、○、△とした。加工性はカップ状の電極への成形性を、成形された形状の精度、欠陥の有無等を総合的に勘案して判定し、良好な順に◎、○、△、×とした。加工性の×は実用に適しない程度の加工性しかない状態であり、△以上を合格とした。また、耐スパッタ性能が△の試料は、純ニッケルと比べたメリットがないので不採用とした。このようにして各試料の評価を行ない、表１に示す結果を得た。良好な耐スパッタ性能と加工性が両立する試料はＮｏ２〜５、８，１１，１２であった（表中網掛けで示す。）。このように、ニッケルにチタン、ジルコニウム、ハフニウムを添加物質として添加した電極の耐スパッタ性能は、従来のニッケル製の（添加物質のない）電極と比べて大きく向上していることが確認され、特にチタンを０．０５重量％添加した試料は、耐スパッタ性能、加工性ともに極めて良好であった。

本発明の冷陰極蛍光ランプは、このように耐スパッタ性能が向上しているだけでなく、製作性の改善も可能である。筒状電極７は、ニッケルまたはニッケル合金を基材とし、かつ添加物質の混合比は小さいため、融点はニッケルの融点（１４５５℃）とほぼ同等である。これは、リード線９の材料であるコバールの融点（１５５０℃）ともほぼ同等であるため、筒状電極７にリード線９を溶接して固定する場合に、両者が同程度に軟化し、相互に溶け込み合い、間に合金層を作って強固に固定される。これに対して、モリブデンやニオブなどの高融点金属からなる電極の場合、リード線９を溶融させて固定するほかなく、接着強度や接着手順の面で制約が生じやすかった。本発明は、このような問題点も同時に解決することができる。さらに、本発明の冷陰極蛍光ランプは、添加物質の混合比が小さいため、コストへの影響を最小に抑えることができる。すなわち、本発明の冷陰極蛍光ランプは、大半がニッケルまたはニッケル合金で作られるので、コストもニッケルまたはニッケル合金の電極と大差なく、経済的な冷陰極蛍光ランプを提供することが可能となる。

次に、本発明の冷陰極蛍光ランプの第２の実施形態について説明する。本実施形態の冷陰極蛍光ランプは、リード管の構成が異なり、他の部分については第１の実施形態と同様である。そこで、リード管の構成についてのみ説明し、第１の実施形態と同一の構成部分については説明を省略する。

図４に示すように、本例の冷陰極蛍光ランプが備える電極ユニット６ｂを構成するリード線９ｂは、コバールからなる外側部３３の内部に銅（Ｃu）または銅合金からなる内側部３２が挿入された多層構造（２層構造）を有している。内側部３２は電極から発生する熱の放熱のために設けられている。多層構造部の先は、ニッケル鉄合金の周りを銅で被覆したジュメット３４が結合されており、ジュメット３４を介して、電源装置（図示せず）に接続される。

筒状電極７は第１の実施形態と同様、ニッケルまたはニッケル合金を基材として、チタン、ジルコニウム、ハフニウム等の脱酸素作用を有する金属が添加された材料で形成されている。したがって、耐スパッタ性能に関しては、第１の実施形態とまったく同様である。また、筒状電極７の融点はニッケルの融点と同程度であり、リード線９ｂの接合に過度の高温を必要としないので、溶接時の熱によってリード線９ｂの内側部３２が過熱され、銅が外部に吹き出してしまう可能性が低減される。このため、リード線９ｂの放熱性が十分に確保される。

以上、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されないことはもちろんであって、様々な変形が可能である。たとえば、添加物質としてチタン、ジルコニウム、ハフニウムを列挙したが、これらを複数種組み合わせて用いることもできる。

また、スパッタリングされやすい部位は筒状電極の筒状部２３の底面部８側の部分であるため、この部分だけに脱酸素作用を有する金属を混合してもよく、この部分での混合比を高めてもよい。

本発明の冷陰極蛍光ランプの第１の実施形態を示す模式的断面図である。 図１に示す電極ユニットの拡大斜視図である。 本発明の耐スパッタ性改善効果を説明するための金属組織の概念図である。 本発明の冷陰極蛍光ランプの第２の実施形態を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 冷陰極蛍光ランプ
２ ガラス管
３ ビードガラス
４ 内壁面
５ 内部空間
６，６ｂ 電極ユニット
７ 筒状電極
８ 底面部
９，９ｂ リード線
２３ 筒状部

Claims (11)

1. 気密に封止された内部空間に少なくとも希ガスと水銀ガスとが封入され、内壁面に蛍光体層が形成されたガラス管と、
   前記内部空間に配置され、一端に底面部が、他端に開口部が形成され、該開口部同士が対向するように配置された、一対の筒状電極と、
   一端が前記底面部に接合され、他端が前記ガラス管の外部に引き出されたリード線とを有し、
   前記筒状電極は、ニッケルまたはニッケル合金を基材とし、脱酸素作用を有する金属が添加された材料によって形成されている冷陰極蛍光ランプ。
2. 前記脱酸素作用を有する金属はチタンである、請求項１に記載の冷陰極蛍光ランプ。
3. 前記チタンの混合比は０.０１〜２．０重量％である、請求項２に記載の冷陰極蛍光ランプ。
4. 前記脱酸素作用を有する金属はジルコニウムである、請求項１に記載の冷陰極蛍光ランプ。
5. 前記ジルコニウムの混合比は０.０５〜１.１重量％である、請求項４に記載の冷陰極蛍光ランプ。
6. 前記脱酸素作用を有する金属はハフニウムである、請求項１に記載の冷陰極蛍光ランプ。
7. 前記ハフニウムの混合比は０.０５〜１.１重量％である、請求項６に記載の冷陰極蛍光ランプ。
8. 前記リード線は、外周部が導電体で形成され、内部に銅または銅合金が充填された２層構造を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の冷陰極蛍光ランプ。
9. 冷陰極蛍光ランプに用いられる筒状の電極であって、
   一端に底面部が、他端に開口部が備えられ、ニッケルまたはニッケル合金を基材とし、脱酸素作用を有する金属が添加された材料によって形成されている電極。
10. 請求項９に記載の電極と、
    一端が前記電極の前記底面部に接合されたリード線と
    を有する電極ユニット。
11. 前記リード線は、外周部が導電体で形成され、内部に銅または銅合金が充填された２層構造を有する、請求項１０に記載の電極ユニット。

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