JP4236561B2 - 蛍光表示管およびその金属材料 - Google Patents

Description

蛍光表示管に使用される金属材料、特に蛍光表示管のグリッド材として使用される金属材料および該金属材料で作製されたグリッドを備えた蛍光表示管に関する。

蛍光表示管に使用される金属材料としては、グリッド材、フィラメントアンカー材、フィラメントサポート材、ゲッター材、およびリード材などがある。
これらの中でグリッド材は、蛍光表示管の組み立て時において、ガラス基板へ固定用フリットガラスを用いて固定される。この固定に用いられる固定用グリット材は、そのフリットガラスの結晶化温度でガラス基板より熱膨張係数が大きいため、固着後室温に冷却することでグリット材に張力が発生する。この張力が発生することで、蛍光表示管駆動時の熱膨張によるグリッド変形が抑制される。

グリッド材としては、従来４２６合金（ 42 ％Ｎｉ−6 ％Ｃｒ−残部Ｆｅ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）などが用いられてきた。
しかし、４２６合金は熱膨張係数が小さく張力不足となるので、低電圧で変形しやすい。このため、適用範囲に大きな制約がある。
ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）は、フリットガラスの結晶化温度における熱膨張係数が大きく、張力が強すぎるため導電接着剤固定部が剥がれやすくなる問題がある。

また、蛍光表示管の用途拡大により表示精度および輝度の向上が近年必要とされるにつれ、通電時のグリッド温度においてグリッド変形をより抑制できる金属製グリット材が望まれるようになってきている。
従来、このようなグリッドの金属材料として、低温領域でガラスより熱膨張係数が小さく高温領域でガラスより熱膨張係数が大きな金属材料（特許文献１参照）、Ｎｉを 37〜40 質量％、Ｃｒを 1.0〜7.5 質量％でかつＮｉとＣｒとの差（Ｎｉ−Ｃｒ）が 32.5 質量％≦Ｎｉ−Ｃｒ≦ 36 質量％の条件式を満たし、さらにＡｌもしくはＴｉを配合したＦｅ合金（特許文献２参照）、Ｎｉを 32〜37 質量％、Ｃｒを 0.5〜6.0 質量％含有したＦｅ合金（特許文献３参照）などが知られている。

しかしながら、上記金属材料では、グリッド変形に対する耐電圧特性と焼成時の熱変形によるグリッドへの蛍光体付着および固定部に発生する応力のバランスが悪く、製品の品質、信頼性、製造時の歩留り低下、工数増など少なくともどれかに欠落があり、すべての要求事項を満たす金属材料がない。例えば、グリッド変形が過大になると、陰極または陽極と短絡する。また、グリッド変形を抑えるために張力を高くすると、グリッド固定部に発生する応力が過大となり、導電性接着剤の剥離などの問題が生じる。熱膨張そのものが大きすぎると焼成時にグリッドが蛍光面に接触して蛍光体が付着し、グリッドの漏れ発光が発生する。また、蛍光表示管の使用雰囲気温度がマイナス４０℃程度の低温で使用される場合、上記問題がさらに顕著になる。
さらに、固定用フリットガラスが固着温度が約 320℃である従来の非晶質ガラスから、固着温度が 390〜430℃の結晶質ガラスになると、固着温度が高い分大きな張力が発生するため、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）または各文献記載の従来の金属材料では、その使用が困難になるという問題がある。

特開平５−１４４３９２号公報 特公平６−２４０９４号公報 特公平４−５６４１７号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、蛍光表示管の室温動作時より熱膨張差の大きい条件下でも変形が起こりにくく、焼成時に発生するガラスとの熱膨張差による変形も少ない金属材料およびこの金属材料を用いることで、製造工程が容易になり、漏れ発光量を抑えることができる蛍光表示管の提供を目的とする。

本発明の金属材料は、蛍光表示管の管内部に用いられ、Ｎｉが 37 質量％をこえ 39 質量％以下、Ｃｒが4.5 質量％をこえ 7.0 質量％以下、かつ（Ｎｉ−Ｃｒ)が 32.5 質量％未満で、残部Ｆｅ（鉄）および不可避的不純物とからなる金属材料であって、該金属材料を薄板状にして測定した、 25℃〜150℃における平均熱膨張係数α_(25-150)が 65×10^-7／℃以下、および、25℃〜400℃における平均熱膨張係数α_(25-400)が 105×10^-7／℃〜120×10^-7／℃であることを特徴とする。

本発明の蛍光表示管は、基板上に絶縁層を介して形成された陽極と、この陽極上に形成された蛍光体層と、フリットガラスと導電ペーストで基板に直接固定されたグリッドを具備し、上記蛍光体層に電子を射突させて発光させる蛍光表示管であって、上記グリッド材が上記金属材料であることを特徴とする。
本発明において、グリッド駆動時における熱膨張による変形開始温度とは張力分の伸びが動作時のグリッド材の熱膨張に吸収されるときの温度をいう。

上記の熱膨張係数をもつ合金を使用すれば、駆動時の耐変形特性に余裕ができ、低温動作時の、ガラスが縮小して真空な蛍光表示管内のグリッド材が膨張するという室温動作時より熱膨張差の大きい条件下でも変形が起こりにくい。

また、結晶化ガラスの軟化点に至るまでの熱膨張が大きくなく、焼成時に発生するガラスとの熱膨張差による変形も少なく、グリッド材と電極基板との接触も減るので、漏れ発光量も小さい。
さらに、固定部の張力が小さく、導電接着剤が剥がれにくい。

蛍光表示管の管内に配設されるグリッド材は通常メッシュ状の形態で使用される。以下、グリッド材をグリッドメッシュとも称する。グリッドメッシュは、固着用フリットガラスの固着温度である 400℃付近で伸張された状態で陽極基板に固定されることにより、固定後室温では張力がかかる。この場合、グリッドメッシュの固定には結晶質のフリットガラスを用いる。結晶質のフリットガラスは一定の温度以上で結晶化が始まり、結晶化すると再融解しない。使用する結晶化ガラスの結晶化温度は約 400℃付近で、蛍光表示管の周囲に配設される外囲器を封着するために用いる非晶質ガラスの固着温度（320℃付近）より高い。
この方法はグリッドメッシュと基板ガラスとの熱膨張差が生じているところで固定して張力を発生させるという原理であるので、固着（結晶化）温度が高いほどガラスとグリッドメッシュの膨張差が大きくなり強い張力がかけられる。
また、近年の蛍光表示管の用途拡大に伴い極低温で使用される場合があるが、例えば−40℃の温度で蛍光表示管を動作させることを考慮するとガラス基板は直接冷却されるため縮むが、蛍光表示管の管内で使用されるグリッドメッシュは真空中にあるため冷却されにくく、動作状態では電子線加熱によって室温動作時に近い温度域まで加熱される。したがって、低温動作時は室温動作時よりもガラスに対するグリッドメッシュの伸びが大きく、変形しやすい状態となっている。このためグリッドメッシュには予め強い張力をかけておき、変形しにくいようにしておく必要がある。

通常ステンレス鋼などの一般材の熱膨張係数は、たとえばステンレス協会が発行する「ステンレスみがき帯鋼の手引き」などに記載されており、これらのデータは圧延前の金属塊を焼きなました状態で測定されている。
しかし、グリッドメッシュ材として扱う金属材料は、 0.05mm 厚さになるまで圧延と焼鈍（焼きなまし）を繰り返し、最終的な製品は圧延上がりで完結しており、歪等が残った状態で使用される。
このため、本発明において、薄板状にして測定した平均熱膨張係数は、以下の方法で行なった。
最終的な加工が圧延工程である 0.05mm 厚さの薄板状の金属板を密着させながらロール状に巻き取り、円柱状 5mmφ×20mm サイズに加工して熱膨張係数測定用試料とした。この試料を熱膨張分析装置（ＴＭＡ)を使用し、空気雰囲気中、10℃/min の昇温速度で測定した。
ステンレス鋼で比較すると、この方法による平均熱膨張係数は、一般的な文献データと比較すると小さ目の値になる傾向がある。また、圧延材の場合、圧延方向とそれに対して直角方向とでは平均熱膨張係数がやや異なることも判明した。これは冷間圧延によって内在している歪に異方性があり、このことが再加熱したときの伸び方に偏りが生じるためと考えられる。本発明における平均熱膨張係数はいずれも圧延方向に対して直角方向の平均熱膨張値である。

低温動作時のグリッドメッシュの変形量を抑えるために、動作温度域でのグリッドメッシュの熱膨張係数は小さい方が好ましく、具体的には、25℃〜150℃の動作温度域では、平均熱膨張係数α_(25-150)が 65×10^-7／℃以下である。
その一方で、25℃〜400℃における平均熱膨張係数α_(25-400)は 105×10^-7／℃〜120×10^-7／℃である。α_(25-400)が 120×10^-7／℃をこえると固着部にかかる応力が強くなり剥がれやすくなり、α_(25-400)が 105×10^-7／℃未満になると張力が弱いため変形しやすくなる。
例えば、α_(25-400)が120×10^-7／℃をこえるＳＵＳ３０４はグリッドメッシュ固定部の形状や形態によっては導電固着部が剥がれやすくなる。また、α_(25-400)が 105×10^-7／℃未満のＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金は張力が弱く変形しやすいため低温動作状態での安定性を要求されるような分野では使用できない。

具体的な熱膨張係数値を使用して、動作時のグリッドメッシュの変形量について計算した結果を表１に、変形開始温度を表２に、各温度における伸び率として表した変形量（△Ｌ／Ｌ）の値をグラフ化した図を図１にそれぞれ示す。用いた金属材料の組成はＮｉが 37.4 質量％、Ｃｒが 5.5 質量％、残部がＦｅおよび不可避的不純物である。
表１において、張力分の伸び率は、 400℃の各材料の伸び率からガラスの伸び率を差引いた値をいい、状態指数とは、張力分の伸び率から−40℃でガラス基板の縮みと、グリッドメッシュの 100℃での伸び率とを差引いた値をいう。なお、表１は蛍光表示管を−40℃の雰囲気温度で使用した場合の例である。

表１に示すように、本発明の平均熱膨張係数に設定することで、蛍光表示管を−40℃の雰囲気温度で使用しても、張力分の伸びから−40℃でガラス基板の縮みと、 100℃での伸びとを差引いた値（状態指数値）が略ゼロであり、グリッドメッシュにかかる応力も略ゼロであることを示している。なお、グリッドメッシュの状態指数として表された値がマイナスの場合はグリッドメッシュが変形していることを表す。また、グリッドメッシュの 150℃での伸び率を用いて計算した状態指数も本願発明品と４２６合金とＳＵＳ３０４とで表１に示す傾向と類似の傾向を示した。

また、表２に示すように、本発明の金属材料は、蛍光表示管の使用温度−40℃で 137℃程度まで、25℃の使用温度で 194℃程度まで変形しない。すなわち、蛍光表示管の使用温度 25 ℃において、グリッド駆動時における熱膨張による変形開始温度が 180℃以上、使用温度−40℃において、グリッド駆動時における熱膨張による変形開始温度が 100℃以上あれば、使用できる。
一方、４２６合金は、−40℃の使用温度でグリッドメッシュの温度が 34℃になると変形が始まり、グリッドメッシュの温度が定常状態となる 100〜150℃程度になると変形量が大きくなり、陰極あるいは陽極との短絡、もしくは輝度が大きく変動する。ＳＵＳ３０４は、変形開始温度は高くなるが、上述したように、張力が強すぎ導電接着剤固定部が剥がれやすくなる。

図１に示すように、本発明の金属材料は、４２６合金に比較して、蛍光表示管の動作領域において熱膨張が小さく、結晶化ガラスの融点付近において熱膨張が大きくなる。

上述した平均熱膨張係数αを有する合金組成としては、少なくともＮｉおよびＣｒを含む残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなるＦｅ系金属材料が挙げられる。ＮｉおよびＣｒの含有量は、Ｎｉが 37 質量％をこえ 39 質量％以下、Ｃｒが4.5 質量％をこえ 7.0 質量％以下、かつ（Ｎｉ−Ｃｒ)が 32.5 質量％未満である。この範囲を図２に示す。なお、図２中、＊印は該数字をこえることを意味する。この範囲であると、本発明に係る平均熱膨張係数αを有する金属材料が得られる。

ＮｉおよびＣｒは平均熱膨張係数α決定のための基本元素であり、所定の熱膨張係数αの範囲に保つため、Ｎｉが 37 質量％をこえ 39 質量％以下、Ｃｒが4.5 質量％をこえ 7.0 質量％以下、かつ（Ｎｉ−Ｃｒ)が 32.5 質量％未満とした。この成分範囲から外れると上記平均熱膨張係数αを満足しない。

本発明の金属材料を用いる蛍光表示管の一例について図３により説明する。図３は蛍光表示管の分解斜視図である。
陽極基板１は、外囲器の一面を構成するガラス基板２上に絶縁性ペーストを厚膜印刷して形成された絶縁層３と、この絶縁層３の下側に形成された配線層（図示省略）と、導電ペーストを厚膜印刷して形成された陽極５と、この陽極５上に形成された蛍光体層４とから構成されている。また、陽極基板１には、必要に応じて半導体素子を配設できる。
蛍光体層４を有する陽極５と所定の距離で離間させてグリッドメッシュ６が対向配置される。グリッドメッシュ６はプレス成形された複数個のメッシュ部を位置決め載置した後、導電ペースト１５で電気的に接続し、固定用フリットガラス７を固定部に塗布して焼成固定した後、連結部を切断除去して取り付けられる。固定用フリットガラス７は大きな張力を発生させることができる結晶質ガラスを使用する。結晶質ガラスの固着温度は 390〜430℃である。
陽極基板１の上方に図示を省略した治具および自動溶接器を用いて、ネサコンタクト部が一体に形成されたフィラメントアンカー８と、フィラメントサポート９と、一端がフィラメントアンカー８のバネ部に、他端がフィラメントサポート９にそれぞれ溶接固定されたフィラメント１０と、フィラメントサポート９に溶接固定されるゲッター１１とが取り付けられる。
最後に、外囲器１２を構成するカバーガラス組立体１３を低融点封着ガラスを用いて溶融固着し、その後に排気管１４を通じて管内を真空排気して、エージング、検査などの所定の工程を経て蛍光表示管となる。
上記蛍光表示管は、フィラメント１０の加熱により発生した電子がグリッドメッシュ６で制御されて蛍光体層４に射突して発光する。

上記蛍光表示管の外囲器１２で囲まれた管内部には、グリッドメッシュ６、フィラメントアンカー８、フィラメントサポート９、ゲッター１１、およびリード材等の金属材料が使用されている。本発明の金属材料は熱膨張係数を最適に制御しているので、駆動時の耐変形特性に余裕ができ、また、特に低温動作時の熱膨張差による変形も少なくなるので、制御電極となるグリッドメッシュ６に使用することが好ましい。

表３に示す合金組成を有する金属材料を溶解炉にて溶解し、熱間圧延を経て、冷間圧延して 0.05 mm 厚さの板材に仕上げた。なお、表３において、ＮｉおよびＣｒ以外は主成分のＦｅと不可避的不純物である。また、比較例としてＮｉおよびＣｒの組成を変更した比較例１および２、ＳＵＳ３０４、４２６合金の例を同時に示した。得られた板材の平均熱膨張係数を測定した。結果を表３に示す。

比較例１、２は本発明の組成範囲から外れ、平均熱膨張係数α_(25-400)が 105×10^-7／℃〜120×10^-7／℃の範囲外となる。比較例１はαが小さく十分な張力がかけられないため変形しやすく、比較例２は変形を抑制するための張力は十分あるものの強すぎるためグリッドメッシュの固定部が剥がれやすくなる。

実施例１に用いた金属材料を用いてグリッドメッシュを作製し、固定用フリットガラスとして結晶質ガラスを用いて該グリッドメッシュをガラス基板に固定した。動作試験を行なった結果、低温（−40℃）の動作環境では137℃まで、常温（25℃）の動作環境では194℃まで変形しなかった。さらに図３に示す蛍光表示管を組み立て、動作させたが漏れ発光などは生じなかった。

本発明の金属材料は、蛍光表示管に使用することにより、駆動時の耐変形特性において優れているので、より広範囲の電圧およびメッシュスパンとより広い使用温度範囲をもつ蛍光表示管のグリッド材として利用できる。

各温度における変形量（△Ｌ／Ｌ）の値をグラフ化した図である。 合金組成の範囲を示す図である。 蛍光表示管の分解斜視図である。

符号の説明

１ 陽極基板
２ ガラス基板
３ 絶縁層
４ 蛍光体層
５ 陽極
６ グリッドメッシュ
７ 固定用フリットガラス
８ フィラメントアンカー
９ フィラメントサポート
１０ フィラメント
１１ ゲッター
１２ 外囲器
１３ カバーガラス組立体
１４ 排気管
１５ 導電ペースト

Claims (2)

1. 蛍光表示管の管内部に用いられ、Ｎｉが 37 質量％をこえ 39 質量％以下、Ｃｒが4.5 質量％をこえ 7.0 質量％以下、かつ（Ｎｉ−Ｃｒ)が 32.5 質量％未満で、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる金属材料であって、該金属材料を薄板状にして測定した、 25℃〜150℃における平均熱膨張係数α_(25-150)が65×10^-7／℃以下、および、25℃〜400℃における平均熱膨張係数α_(25-400)が 105×10^-7／℃〜120×10^-7／℃であることを特徴とする金属材料。
2. 基板上に絶縁層を介して形成された陽極と、この陽極上に形成された蛍光体層と、フリットガラスと導電ペーストで基板に直接固定されたグリッドを具備し、前記蛍光体層に電子を射突させて発光させる蛍光表示管であって、
   前記グリッド材が請求項１記載の金属材料であることを特徴とする蛍光表示管。

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