JP2011187351A - 電極および放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 タングステンよりも抵抗値（電気抵抗値）が高く、かつ、熱膨張率が大きな高融点金属材料（例えばレニウムタングステン）をフィラメントに用いる場合にも、フィラメントの変形のしにくい構造の電極および放電ランプを提供する。
【解決手段】 本発明の電極は、タングステンのフィラメント２と、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料のフィラメント３とを、互いにねじり合わせた線材１が、素線フィラメントとして構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電極および放電ランプに関する。

大型液晶テレビ用のバックライト光源として、冷陰極蛍光ランプが広く使用されているが、省エネルギーが重要視される昨今、冷陰極蛍光ランプよりも発光効率に優れた熱陰極蛍光ランプのバックライトへの応用が始まっている。

熱陰極蛍光ランプの電極は、高融点金属材料のフィラメントと、このフィラメントの表面に塗布された電子放出材料（エミッタ）とにより構成される。熱陰極蛍光ランプの発光効率が優れる理由は、電子の放出を仕事関数の低いエミッタにより行っているためである。エミッタに良好な電子放出特性を発揮させるためには、ランプ作製工程においてエミッタ活性化のために（エミッタのスラリから不純物を蒸発させるために）約１０００〜１２００℃の加熱、ランプ点灯時には電子放出のために約８００℃の加熱が必要である。フィラメントには、エミッタを保持する役割とともに、エミッタを加熱するためのヒーターとしての役割が求められる。したがって、加熱効率の良い、すなわち、少ない電力で高い加熱温度を得ることのできる特性を持つ高融点金属材料をフィラメント材料に選べば、エミッタ加熱のための消費電力を抑えることができるので、熱陰極蛍光ランプの発光効率が向上すると期待できる。

最も一般的に採用されているフィラメント材料は、タングステンである。タングステンよりも抵抗値（電気抵抗値）の高い高融点金属材料であれば、所望の加熱温度を得るための電力が少なくなるので加熱効率は向上する。こうした材料の例としてはレニウムが挙げられる。タングステンとレニウムの電気抵抗率を比較すると、タングステンの電気抵抗率は、２０℃、１００℃で、それぞれ、５．４、７．３であるのに対し、レニウムの電気抵抗率は、２０℃、１００℃で、それぞれ、１８．５、２５．０であり、タングステンの電気抵抗率よりも高いことがわかる。しかし、レニウムは特に希少な金属で高価であるため、抵抗値の高い特性を活かすためにタングステンとの合金であるレニウムタングステンがフィラメント材料として実用化されている。実際、特許文献１には、レニウムタングステンをフィラメント材料として用いた低圧放電灯が示されている。

このように、レニウムタングステンは、最も一般的なフィラメント材料であるタングステンに比べて抵抗値が高い特性を持つので、レニウムタングステンをフィラメント材料として使用した場合、少ない加熱電力で所望の加熱温度を得ることができ、熱陰極放電ランプの発光効率を向上させるのに有利である。

特開平０５−２５１０４２号公報

しかしながら、レニウムタングステンは、タングステンよりも熱膨張率が大きいため、レニウムタングステンをフィラメント材料として使用する場合、以下のような不具合が生じる可能性が高く、熱陰極放電ランプ（例えば熱陰極蛍光ランプ）のフィラメント材料として選択されることは少なかった。

すなわち、エミッタ活性時、および、ランプ動作時に、フィラメントは加熱された状態にあるため、フィラメントは熱膨張により変形する。この変形が顕著であると、フィラメントを単線ではなくコイル構造にして使用するとき、コイルとコイルの間隔が狭くなって接触し、電気的にショートしてしまうことがある。例えば、エミッタ活性時にコイルが電気的にショートすると、その領域のエミッタは活性化されないため電子放出性を発揮することができなくなる。また、エミッタ活性時に燃焼・蒸発するべきエミッタ成分が残留することとなり、これらの成分がランプ動作時に不純ガスとなってランプ中に放出され、ランプの特性を悪化させる。また、ランプ動作時にコイルが電気的にショートすると、その領域のエミッタは使用されずランプの寿命が短くなるという不具合が生じる。また、コイル全体の抵抗値が小さくなってしまうことから、コイルが異常加熱され、エミッタの蒸発による消耗、さらにはコイルが焼き切れる不具合を生じることがある。巻き回し回数が多いコイルではピッチ間隔が必然的に狭まるため、コイル同士が接触する可能性はさらに高まる。

上記の理由により、細径かつ長寿命タイプの熱陰極放電ランプ（例えば熱陰極蛍光ランプ）の電極材料として、レニウムタングステンなどの高融点金属材料（タングステンよりも熱膨張率が大きい高融点金属材料）を使用することは困難であった。

本発明は、タングステンよりも抵抗値（電気抵抗値）が高く、かつ、熱膨張率が大きな高融点金属材料（例えばレニウムタングステン）をフィラメントに用いる場合にも、フィラメントの変形のしにくい構造の電極および放電ランプを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、タングステンのフィラメントと、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料のフィラメントとを、互いにねじり合わせた線材が、素線フィラメントとして構成されていることを特徴とする電極である。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の電極において、タングステンのフィラメントと高融点金属材料のフィラメントは、ねじり合わせのピッチが、それぞれ、２００％であることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の電極において、前記高融点金属材料は、レニウムタングステンであることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電極が用いられていることを特徴とする放電ランプである。

請求項１乃至請求項４記載の発明によれば、タングステンのフィラメントと、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料のフィラメントとを、互いにねじり合わせた線材が、素線フィラメントとして構成されていることを特徴とする電極であるので、タングステンよりも抵抗値（電気抵抗値）が高く、かつ、熱膨張率が大きな高融点金属材料（例えばレニウムタングステン）をフィラメントに用いる場合にも、フィラメントの変形のしにくい構造の電極および放電ランプを提供できる。

特に、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の電極において、タングステンのフィラメントと高融点金属材料のフィラメントとは、ねじり合わせのピッチが、それぞれ、２００％であるので、最密なねじり合わせ構造とすることができる。

また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電極が用いられていることを特徴とする放電ランプであるので、発光効率が向上した長寿命の放電ランプを提供できる。

本発明の電極の構成例を示す図である。 シングルコイルの構成例を示す図（部分詳細図）である。 ダブルコイルの構成例を示す図（部分詳細図）である。 素線フィラメントの構成例を示す図である。 電極（コイル）に通電して加熱した場合の、コイル温度の加熱電力特性を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の電極は、異なる２種類の高融点金属材料のフィラメントを、互いにねじり合わせた線材が、素線フィラメントとして構成されていることを特徴としている。

図１には、異なる２種類の高融点金属材料のフィラメントとして、タングステンのフィラメント２と、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料（例えばレニウムタングステンなど）のフィラメント３とを、互いにねじり合わせた線材１の例が示されている。

本発明では、異なる２種類の高融点金属材料のフィラメントを、互いにねじり合わせた線材（図１の例では、タングステンのフィラメント２と、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料（例えばレニウムタングステンなど）のフィラメント３とを、互いにねじり合わせた線材）１を素線フィラメントとし、この素線フィラメント１により電極を構成することで、タングステンよりも抵抗値（電気抵抗値）が高く、かつ、熱膨張率が大きな高融点金属材料（例えばレニウムタングステン）をフィラメントに用いる場合にも、フィラメントの変形のしにくい構造の電極および放電ランプを提供できる。

具体的に、本発明では、異なる２種類の高融点金属材料のフィラメントを、互いにねじり合わせた線材（図１の例では、タングステンのフィラメント２と、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料（例えばレニウムタングステンなど）のフィラメント３とを、互いにねじり合わせた線材）１を素線フィラメントとし、この素線フィラメント１を巻き回して例えば図２に示すようなコイル構造とし（なお、図２の例のコイル構造は素線フィラメント１を一回巻き回したシングルコイルである）、その表面にエミッタ（電子放出材料）を塗布して、熱陰極放電ランプ（例えば熱陰極蛍光ランプ）用の電極とすることができる。

すなわち、上記素線フィラメント１を熱陰極放電ランプ（例えば熱陰極蛍光ランプ）用の電極として用いる場合、熱陰極放電ランプ（例えば熱陰極蛍光ランプ）の寿命を決める最も重要な要因はエミッタ（電子放出材料）の量である。より多くのエミッタを保持できるように、フィラメントは単線ではなくコイル構造にして使用される。コイル構造とすることで、エミッタの塗布面積を増大させ、またコイルの内部にエミッタを充填することでエミッタ量をより多くすることが可能になる。

コイル構造としては、さまざまなものが提案されている。具体的には、フィラメントを一回巻き回したシングルコイル、シングルコイルをさらに巻き回したダブルコイル、さらにこの他に、三重、四重と巻き回したものなども提案されている。また、エミッタの保持力を高めるために、芯線となるフィラメントの回りに芯線より細い副線フィラメントを緩く巻き回した副線付きフィラメントもある。この副線付きフィラメントについても、二重、三重に巻き回した構造などがある。

特にバックライトへの応用に当たっては、長寿命化、細径化が求められるので、より小さなスペースにより多くのエミッタを塗布できる電極構造とすることが必要になり、それに必要なコイル構造が選ばれる。

本発明においても、上記素線フィラメント１を巻き回してコイル構造とする場合に、例えば図２に示すようなシングルコイルにすることもできるし、図２に示すようなシングルコイルをさらに巻き回した図３に示すようなダブルコイル、さらにこの他に、三重、四重と巻き回した構造など、あるいは、副線付きフィラメントにして一重、二重あるいは三重に巻き回した構造のものなど、いかなる構造のものをも選ぶことができる。

ところで、図１において、本発明の２種類のフィラメント（タングステンのフィラメント２と、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料（例えばレニウムタングステンなど）のフィラメント３）の径ｄ２、ｄ３は、同一のものにすることもできるし、互いに異なるものにすることもできるが（すなわち、任意に設定できるが）、ねじり合わせ構造をより強固なものとして、熱膨張による変形を抑制するように、また、エミッタの塗布量を多くできるように、２種類のフィラメント２、３の径ｄ２、ｄ３を設定するのが良い。

また、２種類のフィラメント（タングステンのフィラメント２と、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料（例えばレニウムタングステンなど）のフィラメント３）のねじり合わせのピッチｐは、それぞれ、２００％であるのが良い。ここで、１つのフィラメントについてのねじり合わせのピッチｐは、ねじり合わせの１周期をＬとし、１つのフィラメントの径をｄとするとき、ｐ＝Ｌ／ｄとして定義され、従って、ねじり合わせのピッチｐが２００％であるとは、１つのフィラメントについてのねじり合わせの１周期Ｌが、１つのフィラメントの径ｄの２倍であることを意味する。

図４には、２種類のフィラメント（タングステンのフィラメント２と、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料（例えばレニウムタングステンなど）のフィラメント３）の径ｄ２、ｄ３を同一のものにし、２種類のフィラメント（タングステンのフィラメント２と、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料（例えばレニウムタングステンなど）のフィラメント３）のねじり合わせのピッチｐを、それぞれ、２００％にして、互いにねじり合わせた素線フィラメント１が示されている。

このように、２種類のフィラメント（タングステンのフィラメント２と、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料（例えばレニウムタングステンなど）のフィラメント３）のねじり合わせのピッチｐを、それぞれ、２００％にすることで、最密なねじり合わせ構造とすることができる。

以上のように、本発明では、異なる２種類の高融点金属材料のフィラメントを、互いにねじり合わせた線材（図１の例では、タングステンのフィラメント２と、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料（例えばレニウムタングステンなど）のフィラメント３とを、互いにねじり合わせた線材）１を素線フィラメントとし、この素線フィラメント１により電極を構成することで、レニウムタングステンなどの熱膨張率が高い材料のフィラメント３が通電加熱により伸長したとしても、それよりも熱膨張率が低いタングステンのフィラメント２により伸長が抑えられるので、レニウムタングステン単独で使用する場合よりもコイルの変形が少ないものとなる。この結果、タングステンよりも抵抗値が高く放電ランプの発光効率を高くすることができる一方で、熱膨張率が高いため通電時のコイル変形を起こしやすいレニウムタングステンなどの高融点金属材料を、細径かつ長寿命の熱陰極放電ランプ（例えば熱陰極蛍光ランプ）の電極材料として使用することが可能になる。

実際、本願の発明者は、同一線径（ｄ＝ｄ２＝ｄ３）のタングステンのフィラメント２とレニウムタングステン（レニウム含有率３％）のフィラメント３とを用意し、これを以下の条件で、レニウムタングステンのフィラメント３とタングステンのフィラメント２の組み合わせ（以下、レニウムタングステン／タングステンの組み合わせという）、タングステンのフィラメント２とタングステンのフィラメント２の組み合わせ（以下、タングステン／タングステンの組み合わせという）で、それぞれ、ねじり合わせフィラメント（素線フィラメント）１を作製し、フィラメントの組み合わせの異なる２種類の素線フィラメント１を、それぞれ、２回巻きまわして、フィラメントの組み合わせの異なる２種類のダブルコイルを作製した。

ここで、各フィラメント２、３の径ｄ２、ｄ３（＝ｄ）は、それぞれ、０．０３６５ｍｍφであり、フィラメントの組み合わせの異なる２種類のダブルコイルのそれぞれにおいて、１次巻きコイル径（シングルコイルのコイル径）は０．１５３ｍｍ、２次巻きコイル径（ダブルコイルのコイル径）は０．６３ｍｍであった。

そして、上記フィラメントの組み合わせの異なる２種類のダブルコイルをそれぞれ電極とした２種類の熱陰極蛍光ランプを作製した。なお、これら２種類の熱陰極蛍光ランプには、アルゴンガス４ｔｏｒｒを封入した。図５には、これら２種類の熱陰極蛍光ランプのそれぞれについて、電極（コイル（ダブルコイル））に通電して加熱した場合の、コイル温度の加熱電力特性が示されている。

図５から、コイル温度８００℃を得るために必要な電力は、レニウムタングステン／タングステンの組み合わせでは０．６９Ｗ、タングステン／タングステンの組み合わせでは０．７５Ｗとなり、レニウムタングステンを使用した場合、タングステンのみの場合よりも少ない電力で所望の加熱温度を得られることが確認できた。

以上のことから、本発明では、以下の効果が得られる。

すなわち、本発明では、２種のフィラメントをねじり合わせ構造としたことにより、レニウムタングステンなど熱膨張率の高い材料をフィラメント材料とした場合にも、熱膨張率が低いタングステンによりコイル形状が維持されるため、加熱時のコイルの変形を小さくすることができる。そして、加熱時のコイル変形を従来よりも小さくすることができるので、レニウムタングステンなどの熱膨張率の高い材料をフィラメント材料とした場合に、従来よりも巻き回し回数を多くしたコイル構造を採用してエミッタ量を増やすことが可能となり、放電ランプの省電力化と長寿命化が可能になる。

また、本発明では、２本のフィラメントによるねじり合わせ構造としたことにより、同じ断面積の１本のフィラメントと比較した場合、表面積が大きくなり、エミッタ量（エミッタの塗布量）を多くすることができる。

また、本発明では、２本のフィラメントによるねじり合わせ構造としたことにより、耐震性や耐衝撃性が増し、衝撃によるフィラメントの断線やエミッタの脱落を防止できる。

また、従来はコイルの変形を考慮して３％程度に設定されていたレニウムタングステンのレニウム混合量を、より多いものとすることができる。レニウム混合量が多いほど抵抗値は大きくなるので、少ない電力でエミッタを加熱することができるようになり、放電ランプの発光効率を高めることが可能になる。

なお、上述の例では、熱陰極放電ランプが熱陰極蛍光ランプである場合が示されているが（熱陰極蛍光ランプ電極に、本発明の電極を用いることが示されているが）、熱陰極放電ランプは、例えば熱陰極紫外線ランプ（紫外線放電ランプ）などであってもよい。すなわち、熱陰極紫外線ランプ（紫外線放電ランプ）などの電極にも、本発明の電極を用いることができる。

本発明は、熱陰極放電ランプなどに利用可能である。

１ 素線フィラメント
２ タングステンのフィラメント
３ タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料（例えばレニウムタングステンなど）のフィラメント

Claims (4)

1. タングステンのフィラメントと、タングステンよりも抵抗値の高い高融点金属材料のフィラメントとを、互いにねじり合わせた線材が、素線フィラメントとして構成されていることを特徴とする電極。
2. 請求項１記載の電極において、タングステンのフィラメントと高融点金属材料のフィラメントは、ねじり合わせのピッチが、それぞれ、２００％であることを特徴とする電極。
3. 請求項１または請求項２記載の電極において、前記高融点金属材料は、レニウムタングステンであることを特徴とする電極。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電極が用いられていることを特徴とする放電ランプ。

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