JP2007073407A - 冷陰極蛍光ランプ、電極ユニット及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命、かつ、低コストな冷陰極蛍光ランプを提供する。
【解決手段】 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２と、内部空間に配置され、一端に底面部８が、他端に開口部１０が形成され、該開口部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、筒状電極７は、マグネシウムが分散されたニッケル基の金属を加熱処理することによって、前記分散されているマグネシウムを酸化させてなる金属材料によって形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷陰極蛍光ランプ及び冷陰極蛍光ランプの一部を構成する電極ユニットに関し、特に、電極材料の改良に関するものである。

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。

通常の電極はニッケル（Ni）又はニッケル合金によって製作されている。電極材料としてのニッケルの組成の一例を示すと、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が含まれている。なお、以上の混合比は重量％である。

ここで、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、ニッケル原子が叩き出され、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が開発されている（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、モリブデン製やニオブ製の電極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、耐スパッタ性能が著しく低下するため、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。従って、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、モリブデン製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、モリブデン製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の役割を果たすが、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るばかりでなく、薄板への圧延加工やカップ電極へのプレス加工が困難かつ高価である。よって、これら高融点金属製の電極は、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、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、マグネシウムが分散されたニッケル基の金属を加熱処理することによって、前記分散されているマグネシウムを酸化させてなる金属材料によって形成されている。前記筒状電極には、０．００５重量％以上０．１５重量％以下のマグネシウムが含まれていることが望ましい。

本発明の電極ユニットは、一端に底面部が、他端に開口部が形成された筒状電極と、前記筒状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であって、前記筒状電極は、マグネシウムが分散されたニッケル基の金属を加熱処理することによって、前記分散されているマグネシウムを酸化させてなる金属材料によって形成されている。前記筒状電極に、０．００５重量％以上０．１５重量％以下のマグネシウムが含まれていることが望ましい。

本発明の電極ユニット製造方法は、マグネシウムが分散されたニッケル基の金属材料を加熱処理することによって、前記マグネシウムを酸化させる工程と、前記酸化処理が施された金属材料を、一端に底面部が、他端に開口部が形成された筒状に加工する工程と、前記底面部にリード線の一端を接合させる工程と、を有する。

前記加熱処理は、酸素雰囲気又は水蒸気雰囲気で行われることが望ましい。また、加熱温度は、８２０℃以上１０８０℃以下であることが望ましい。さらに、前記金属材料おけるマグネシウムの混合比は、０．００５重量％以上０．１５重量％以下であることが望ましい。

本発明の冷陰極蛍光ランプ、或いは電極ユニットを構成する筒状電極は、マグネシウムが分散されたニッケル基の金属を加熱処理することによって、前記分散されているマグネシウムを酸化させてなる金属材料によって形成されている。また、本発明の電極ユニット製造方法によれば、マグネシウムが分散されたニッケル基の金属を加熱処理することによって、前記分散されているマグネシウムを酸化させてなる金属材料によって形成された筒状電極を有する電極ユニットが得られる。従って、筒状電極の耐スパッタ特性が向上し、冷陰極蛍光ランプの長寿命化が実現される。

（実施形態１）
以下、本発明の冷陰極蛍光ランプの実施形態の一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。本例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、本例の冷陰極蛍光ランプ１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）によって気密に封止された基本構造を有する。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、一方の筒状電極７の開口部１０と他方の電極ユニット６の開口部１０と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有底筒状の形態を有する。筒状電極７は、金属板を円筒状（カップ状）にプレス加工したものである。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、マグネシウム（Mg）を分散させたニッケル基の金属を酸素雰囲気中、または水蒸気雰囲気中で加熱することによって、前記分散されているマグネシウムを酸化させてなる金属材料によって形成されている。この金属材料の組成は、ニッケル９９．７％、マグネシウム０．０２５％、マンガン０．１５％、その他の不純物（炭素、けい素、銅、硫黄、鉄）０．１％である。ニッケルには０．０１％程度の微量のコバルトが含まれている。なお、以上の混合比は重量％である。

上記金属材料の製造方法及び金属材料から筒状電極７を製造する方法は、次の通りである。
（１）上記組成を有する金属材料のインゴットを溶解法によって製造する。
（２）熱間圧延及び冷間圧延によって、上記インゴットを薄板状に加工する。
（３）薄板状に加工された金属材料を酸素雰囲気中、または水蒸気雰囲気中で加熱し、金属材料表面部のマグネシウムを酸化させる。このときの加熱温度は、８２０℃以上１０８０℃以下が望ましい。
（４）表面部のマグネシウムが酸化された金属材料を所定幅に切断する。
（５）所定幅に切断された金属材料を図２に示すカップ形状にプレス加工する。

ここで、上記金属材料によって筒状電極７を形成することによって、該筒状電極７の耐スパッタ性が向上する理由について説明する。ニッケル又はニッケル合金は、一般に多結晶構造をとり、結晶の境界面に結晶粒界が形成されている。結晶粒界では粒子同士の結合が弱く、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から発生し、結晶の内部に序々に広がっていく。モリブデンやニオブの場合も、酸化されると、結晶粒界から著しくスパッタリングが進行する。

これに対し、上記金属材料では、ニッケルに混合されたマグネシウムを酸化させることによって（上記（３）の工程によって）、結晶粒界における粒子の結合が強固なものとなっている。すなわち、ニッケルへの混合物（添加物）は、結晶粒界に偏析しやすい傾向があり、マグネシウムも例外ではない。従って、結晶粒界に偏析されているマグネシウムを酸化させることによって（外部から酸素を取り込むことによって）、結晶粒界における粒子間の結合力が向上する。この結果、上記金属材料によって形成された筒状電極７は、耐スパッタ性に優れたものとなる。もっとも、金属材料は溶解法によって製造されているので、マグネシウムの酸化物が粒子の形態で存在することはない。

筒状電極７の耐スパッタ性能が向上する原理は上記の通りであるが、本発明では、電極ユニット６の製造性も改善される。すなわち、筒状電極７は、ニッケル基の金属材料によって製造されているので、その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。従って、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、上記金属材料は、その大半がニッケルによって占められているので、コストもニッケルと大差ない。

（実施形態２）
次に、本発明の冷陰極蛍光ランプの実施形態の他例について説明する。本実施形態の冷陰極蛍光ランプは、電極ユニットを構成しているリード線の構造が異なり、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、リード線の構造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３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の内側に、銅（Ｃu）または銅合金からなる内側部３２が設けられた多層構造（２層構造）を有する。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。

図３に示す筒状電極７は第１の実施形態で説明した金属材料と同一の金属材料によって製造されている。従って、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と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、銅又は銅合金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。

本発明の冷陰極蛍光ランプ実施形態の一例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。 本発明の冷陰極蛍光ランプの実施形態の他例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

Claims (9)

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、マグネシウムが分散されたニッケル基の金属を加熱処理することによって、前記分散されているマグネシウムを酸化させてなる金属材料によって形成されている冷陰極蛍光ランプ。
2. 前記筒状電極に、０．００５重量％以上０．１５重量％以下のマグネシウムが含まれている請求項１記載の冷陰極蛍光ランプ。
3. 一端に底面部が、他端に開口部が形成された筒状電極と、前記筒状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であって、
   前記筒状電極は、マグネシウムが分散されたニッケル基の金属を加熱処理することによって、前記分散されているマグネシウムを酸化させてなる金属材料によって形成されている電極ユニット。
4. 前記筒状電極に、０．００５重量％以上０．１５重量％以下のマグネシウムが含まれている請求項３記載の冷陰極蛍光ランプ。
5. マグネシウムが分散されたニッケル基の金属材料を加熱処理することによって、前記分散されているマグネシウムを酸化させる工程と、
   前記酸化処理が施された金属材料を、一端に底面部が、他端に開口部が形成された筒状に加工する工程と、
   前記底面部にリード線の一端を接合させる工程と、を有する電極ユニット製造方法。
6. 前記加熱処理が酸素雰囲気中で行われる請求項５記載の電極ユニット製造方法。
7. 前記加熱処理が水蒸気雰囲気中で行われる請求項５記載の電極ユニット製造方法。
8. 前記加熱処理時の加熱温度が８２０℃以上１０８０℃以下である請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の電極ユニット製造方法。
9. 前記金属材料おけるマグネシウムの混合比が０．００５重量％以上０．１５重量％以下である請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の電極ユニット製造方法。

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