JP4279314B2 - 蛍光放電管電極およびその電極を備えた蛍光放電管 - Google Patents

Description

本発明は、例えば液晶のバックライトとして用いられる蛍光放電管およびその電極に関する。

液晶装置にはバックライトとして小形の蛍光放電管が用いられる。かかる蛍光放電管は、図３に示すように、内壁面に蛍光膜（図示省略）が形成され、その内部に放電用ガス（アルゴンガス等の希ガスおよび水銀蒸気）が封入されたガラス管１１と、そのガラス管１１の両端部に設けられた一対の冷陰極を構成する電極１２を備えている。前記電極１２は、一端が開放された筒状の管部１３と、この管部１３の他端を閉塞する端板部１４とによって有底筒状（カップ状）に一体的に形成されている。前記端板部１４には前記ガラス管１１の端部を貫通するように封止された棒状の導電体１５の一端が溶接され、この導電体１５の他端にリード線１７が接続される。

前記電極１２は、従来、純Ｎｉによって形成され、そのサイズは、バックライト等の小形の蛍光放電管用のものでは、例えば内径１．５mm程度、全長５mm程度、壁部１３の肉厚０．１mm程度である。かかる筒状電極は、通常、前記管部の肉厚と同等の厚さを有する純Ｎｉ薄板を深絞り成形することによって一体的に成形される。

上記のとおり、蛍光放電管電極は、成形性が良好で、材質的にも安定な純Ｎｉによって形成されていたが、ランプ寿命が比較的短いという問題がある。すなわち、蛍光放電管は点灯の際、電極にイオン等が衝突して電極金属から原子を放出する現象（スパッタリング）が生じる。このスパッタリングによって放出された電極金属の原子は、ガラス管内に封入された水銀と結合し、ガラス管内の水銀蒸気を消耗させる。従来、電極金属を形成するＮｉは、スパッタの際の原子放出量が多い、すなわちスパッタ率が高く、水銀の消耗が大きいため、放電管の寿命が低下しやすいという問題がある。

このため、近年、特開２００２−１１００８５号公報（特許文献１）に記載されているように、電極をスパッタ率の低い、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ又はこれらの合金で形成することが試みられている。
特開２００２−１１００８５号公報（特許請求の範囲）

しかし、これらの金属元素はＮｉに比して高価であり、さらに高融点の酸化し易い材料であるため、その製造に際してもプラズマアーク溶解法や粉末冶金法など、通常の溶解・鋳造法とは異なる特殊な方法によってバルク材を製造する必要がある。また、Ｎｂについてはその薄板に対して絞り加工を施すことができるものの、バルク材の圧延に際して真空焼鈍などの無酸化雰囲気焼鈍と圧延とを繰り返して薄肉化する必要がある。このように、Ｎｂ、Ｔａ等は、総じて小形の筒状電極を製造する上で、成形加工性に劣り、製造コストが非常に高くなるという問題がある。
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、Ｎｉ電極に比してランプ寿命が長く、しかも成形加工性に優れた蛍光放電管電極用合金によって形成された蛍光放電管電極、さらに同電極を備えた蛍光放電管を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、Ｎｉ−Ｎｂ合金のＮｂ添加量に応じてスパッタ率の変化を詳細に観察したところ、少量のＮｂ添加によりスパッタ率が減少し、一方Ｎｂを過多に添加するとＮｉ−Ｎｂ合金中にＮｂＮｉ₈ の金属間化合物が生成するようになり、スパッタ率が上昇すると共に加工性が劣化することを知見し、さらに電極の形態を工夫することにより、電極寿命の低下を防止することができるとの知見を得て、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明による蛍光放電管電極は、一端が開放された管部と、前記管部の他端を閉塞する端板部とを備え、前記管部と端板部とが前記Ｎｉ−Ｎｂ合金を用いて一体的に成形されたものであり、当該電極がmass％（以下、単に「％」と表示する。）でＮｂを３．０％超、６．０％未満含有し、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなる電極用合金によって形成されたものである。

この電極用合金は、Ｎｂを３．０％超、６．０％未満含有し、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ−Ｎｂ合金であるので、スパッタ率の低いＮｂのみによって電極を形成する場合に比してスパッタ率はやや高くなるものの、Ｎｂの添加量が３．０％超、６．０％未満と少量であるため、Ｎｉ−Ｎｂ合金中でＮｉとＮｂとの金属間化合物を生成せず、ＮｉとＮｂとが固溶した状態になる。このため、従来の純Ｎｉによって電極を形成する場合に比してスパッタ率を低下させることができ、ランプ寿命を向上させることができる。一方、６．０％以上では、Ｎｉ−Ｎｂ合金中にＮｂＮｉ₈ の金属間化合物が生成するようになるため、スパッタ率が上昇し、また成形性も劣化するようになる。しかも、Ｎｂ量が３．０％超、６．０％未満程度では、実用上、純Ｎｉの場合と同様に溶解・鋳造することができ、プラズマアーク溶解や真空焼鈍を用いることなく製造することができる。しかも良好な成形加工性を有するため、小形の筒状電極に容易に絞り成形や冷間閉塞鍛造（インパクト成形）することができ、生産性に優れる。

本発明による蛍光放電管電極は、さらに前記端板部が管部の管壁厚さよりも厚く形成される。このように形成することによって、管部の管壁の厚さが薄い場合であっても、給電用導電体が溶着される端板部の厚さが管部の管壁の厚さよりも厚く形成されるので、前記導電体の端部を端板部に突き合わせ状に溶着する際、溶接出力などの溶着出力の微妙な制御を行うことなく導電体の端部を端板部に容易に溶着することができ、両者の溶着不良を防止することができる。このため、導電体と電極との電気的、熱的接合が確実となり、放電状態、放熱状態が安定し、蛍光放電管のランプ寿命の低下を防止することができ、また蛍光放電管の製造歩留まりを向上させることができる。

前記電極において、前記端板部の外側に前記管部と同心状に配置された導電体位置決め用凹部を設けることが好ましい。かかる導電体位置決め用凹部を設けることによって、導電体の端部を前記凹部に差し込んで溶着するだけで、電極の端板部に導電体を同心状に確実に溶着することができる。このため、導電体をガラス管の端部に同心状に封止することにより、電極とガラス管とが同心状に配置され、ガラス管内における放電状態の均一性、安定性が向上し、ランプ寿命をより向上させることができる。

また、本発明による蛍光放電管は、内壁面に蛍光膜が形成され、その内部に放電用ガスが封入されたガラス管と、そのガラス管の両端部にガラス管と同心状かつガラス管の内外に貫通状に封止された給電用導電体と、前記ガラス管の内部に配置され、前記給電用導電体の端部に接続された一対の電極を備えた蛍光放電管であって、前記電極として上記本発明にかかる蛍光放電管用電極が用いられ、前記電極の端板部の外側に前記給電用導電体が同心状に溶着されたものである。この蛍光放電管によれば、上記本発明にかかる電極による各効果を備える。

以上説明したように、本発明の蛍光放電管電極を形成する電極用合金は、ＮｉにＮｂを３．０％超、６．０％未満と少量含有させたものであるため、Ｎｉ−Ｎｂ合金中にＮｉＮｂ金属間化合物を生成することなく、ＮｉとＮｂとが固溶した状態になり、絞り成形やインパクト成形等に対する成形加工性を損なうことなく、純Ｎｉに比してスパッタ率を効果的に低下させることができ、引いてはランプ寿命を改善することができる。また、本発明の電極は、端板部の厚さが管部の管壁厚さより厚く形成されたことにより、給電用導電体の溶着が容易になり、電極への電気的、熱的接合が確実となり、放電状態、放熱状態が安定し、蛍光放電管のランプ寿命の低下を防止することができ、また蛍光放電管の製造歩留まりを向上させることができる。

本発明の蛍光放電管電極を形成する電極用合金は、合金元素としてＮｂを３．０％超、６．０％未満含有し、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ−Ｎｂ合金である。３．０％超、６．０％未満のＮｂ添加量では、ＮｉＮｂ金属間化合物を生成することなく、ＮｉとＮｂとが固溶した状態になるため、成形性、加工性をあまり劣化させず、添加量の割にはスパッタ率を効果的に低下させることができる。すなわち、３．０％以下では、Ｎｂ量が過少であり、一方６．０％以上ではＮｉ−Ｎｂ合金中にＮｂＮｉ₈ 金属間化合物が生成するようになるため、スパッタ率が却って上昇するようになると共に成形性、加工性が低下するようになる。このため、Ｎｂ量を３．０％超、６．０％未満とし、好ましくは上限を５．５％とする。

前記電極用合金は、高融点の難加工性元素を含むものの、純Ｎｉと同様、成形性、加工性に優れるので、大気下で鋳造した後、その鋳造片を大気下で熱間圧延し、必要に応じて不活性雰囲気下で焼鈍した後、冷間圧延することにより０．１mm程度のシートに加工することができる。そして、必要に応じて仕上焼鈍（軟化焼鈍）した後、前記シートを絞り成形することによって、筒状電極を製造することができる。絞り成形は、後述のインパクト成形に比して量産性に優れる利点がある。
また、鋳造片を熱間圧延や熱間鍛造によって棒材に加工し、これを伸線し、得られた線材を適宜の長さに切断して短軸状素材（「スラグ」という。）を得て、必要に応じて仕上焼鈍した後、これをインパクト成形（冷間閉塞鍛造）することによって筒状電極を得ることができる。インパクト成形する場合、筒状電極の端板部の板厚を筒状部に比して容易に厚くすることができ、さらにまた端板部に導電体位置決め用の凹部を容易に一体成形することができ、生産性に優れる。
なお、仕上焼鈍は、８００〜９５０℃程度で３min から３ｈｒ程度保持すればよい。焼鈍雰囲気は、Ｎｂは酸化および窒化し易いので、真空雰囲気あるいはＡｒ等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。前記「８００〜９５０℃」は、８００℃以上、９５０℃以下を意味する。以下、「Ｎ１（数字）〜Ｎ２（数字）」は、Ｎ１以上、Ｎ２以下を意味する。

図１は、本発明の実施形態にかかる蛍光放電管電極およびその電極を備えた蛍光放電管の要部断面図であり、この蛍光放電管は、内壁面に蛍光膜８が形成され、放電用ガス（アルゴンガス等の希ガスおよび水銀蒸気）が封入されたガラス管１と、そのガラス管１の両端部に設けられた一対の冷陰極を構成する電極２を備えている。

前記電極２は、一端が開放された管部３と、この管部３の一端を閉塞する端板部４とが一体的に形成されている。前記端板部４には、給電用の棒状の導電体５と前記管部３とが同心状に配列されるように、前記導電体５の一端が嵌合される導電体位置決め用凹部６が形成されている。前記導電体５は、ガラス管１の端部を内外に貫通するように封止され、ガラス管１の内側の端部が前記凹部６に嵌合され、端板部４との境界外周部においてレーザ溶接、抵抗溶接、ろう付けなどによって溶着されている。前記ガラス管１の外側に位置する、前記導電体５の他端には給電用のリード線７が接続される。

前記端板部４の厚さ（導電体５が溶着される部位の厚さｔ）は、前記凹部６を形成するとともに導電体５を端板部４に十分溶着することができるように、前記管部３の管壁の肉厚よりも厚く形成されている。小形の蛍光放電管では、電極２の長さは４〜１０mm程度、管部３の肉厚は０．０８〜０．２mm程度に形成され、前記端板部４の厚さは前記管部３の肉厚の３〜１０倍程度に形成される。なお、端板部４における凹部６の深さは管部３の管壁厚さ以上、好ましくは管壁厚さの２倍以上とするのがよく、また凹部６の底面と管部側内面との肉厚は管壁の肉厚程度以上あればよい。

前記電極２は、前記Ｎｉ−Ｎｂ電極用合金で形成される。前記Ｎｉ−Ｎｂ合金を用いることにより、良好な冷間成形性を有するとともに、スパッタ率を純Ｎｉに比して低減することができ、ランプ寿命を向上させることができる。この筒状電極は、インパクト成形によって一体成形することができる。

上記実施形態では、導電体位置決め用凹部６が端板部４に一体成形された例を示したが、前記凹部６は必ずしも必要としない。もっとも、前記凹部６を形成することによって、導電体５と電極２の管部３とが同心状に配置されるので、前記導電体５をガラス管１に同心状に封止することによって、電極２とガラス管１とを同心状に容易に配置することができ、放電状態の不均一化を防止することができ、放電の安定化、ランプ寿命の向上を図ることができる。勿論、蛍光放電管電極は、インパクト成形に限らず、図３に示すように、深絞り成形により有底筒状に成形したものでもよい。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。

表１に示す、種々のＮｂ量のＮｉ−Ｎｂ合金（４ｋｇ）を真空誘導炉にて１５００℃にて溶解し、各溶湯を用いて鋳造した鋳造片を大気中で１１００℃で熱間鍛造した後、圧延開始温度１１００℃で熱間圧延を行い、それぞれのＮｉ−Ｎｂ合金について熱間圧延板及び熱延線材を得た。これらの熱延材は窒素および水素の混合ガス（大気圧）中で焼鈍（９００℃で２ｈｒ保持）された。その後、前記熱間圧延板は冷間圧延が施されて、板厚０．１５mmの薄板に加工された。また前記熱延線材は冷間伸線が施されて、外径１．７mmφの線材に加工された。このようにして製作された試料を用いて加工性を評価し、スパッタ率を測定した。加工性は、インパクト成形試験、絞り成形試験（エリクセン試験）によって評価した。

インパクト成形試験は、前記線材を１．８mmの長さのスラグに切断し、仕上焼鈍（真空雰囲気下、９００℃で２ｈｒ保持）した後、これを用いて図２に示す、内径１．５mmφ、外径１．７mmφ、全長５．４mm、導電体位置決め用凹部深さ０．２mmの筒状電極を実際に成形することによって行われた。用いた成形型のパンチは、外径１．５mmφ、先端部開き角１５０°、材質ダイス鋼（ＪＩＳ規格ＳＫＤ１１）である。一方、ダイは、内径は１．７mmφ、材質超硬合金（Ｄ種６号）である。
インパクト成形性の評価は、成形回数が１０００ショットに到達した時点でダイの破損やパンチの変形が生じず、さらに成形可能であったものをＡＡ、５００ショット以上成形可能であったが、１０００ショットに到達する前にダイが破損し、あるいはパンチが変形したため、成形が出来なくなったものをＡ、５００ショットに到達する前にダイが破損し、あるいはパンチが変形したため、成形が出来なくなったものをＢと評価した。実用的には５００ショット以上成形可能であること、すなわち前記ＡＡあるいはＡが望ましい。

絞り成形試験は、前記薄板を１００mm角の大きさに切断し、仕上焼鈍（真空雰囲気下、９００℃で２ｈｒ保持）した後、これを用いてＪＩＳ Ｂ ７７２９、７７７７に従ってエリクセン試験を行った。エリクセン試験は、焼鈍板試料に直径２０mmの球状ポンチを５〜２０mm／min で、試料表面に割れが発生するまで押し込み、試料表面からの割れ発生時までのポンチ先端の移動距離（エリクセン値という。単位mm）を求めるものであり、エリクセン値が１０以上であれば絞り性は良好であり、実用上問題のないレベルである。

また、スパッタ率は以下の要領により測定された。前記Ｎｉ−Ｎｂ合金薄板から試験片（１０mm×１０mm）を採取し、試験面を鏡面研磨した。イオンビーム装置（Ｖｅｅｃｏ社製、型式：ＶＥ−７４７）を用いて、前記試験片をターゲットとし、ターゲットと基板との間に電圧（５００Ｖ）を印加し、一定時間（１２０min ）アルゴンイオン（１．３×１０^-6Torr）を試験面に加速衝突させ、スパッタリングした。試験面には鏡面の一部をマスキングした非スパッタ部が形成されており、スパッタリング後には、スパッタリングによって試験片の鏡面部が削られたスパッタ部とマスキングされた非スパッタ部との境界に段差が形成される。この段差を接触式粗度計（Ｓｌｏａｎ社製、型式：ＤＥＫＴＡＫ２Ａ）を用いて測定し、下記式からスパッタ率（Å／min ）を求めた。また、各試料のスパッタ率を純Ｎｉ（試料No. １）で除した相対スパッタ率を求めた。これらの測定値を表１に併せて示す。また、Ｎｂ量と相対スパッタ率との関係を整理したグラフを図１に示す。
スパッタ率＝段差（Å）／スパッタ時間（１２０min ）

表１より、発明例の試料No. ３およびNo. ４は、相対スパッタ率が９６％以下であり、Ｎｂによる良好なスパッタ低減効果が認められ、インパクト成形性、絞り成形性も実用レベルにあることが確かめられた。一方、図４に示されるように、Ｎｂ量が６％超の試料No. ５からNo. ７によると、Ｎｂの添加により一旦抑制されたスパッタ率が再び上昇に転じ、却ってスパッタ率が悪化すると共に成形性も劣化した。

本発明の実施形態にかかる蛍光放電管電極を備えた蛍光放電管の要部断面図である。 本発明の実施例においてインパクト成形した蛍光放電管電極の断面図である。 従来の蛍光放電管電極を備えた蛍光放電管の要部断面図である。 実施例におけるＮｂ添加量と相対スパッタ率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ガラス管
２ 電極
３ 管部
４ 端板部
５ 導電体
６ 導電体位置決め用凹部

Claims (3)

1. 一端が開放された管部と、前記管部の他端を閉塞する端板部とを備え、前記管部と端板部とが一体的に成形された蛍光放電管電極であって、
   前記蛍光放電管電極がmass％でＮｂを３．０％超、６．０％未満含有し、残部Ｎｉ及び不可避的不純物からなる電極用合金で形成され、
   前記端板部が管部の管壁厚さよりも厚く形成された蛍光放電管電極。
2. 前記端板部は、その外側に前記管部と同心状に配置された導電体位置決め用凹部が設けられた請求項１に記載された蛍光放電管電極。
3. 内壁面に蛍光膜が形成され、その内部に放電用ガスが封入されたガラス管と、そのガラス管の両端部にガラス管と同心状かつガラス管の内外に貫通状に封止された給電用導電体と、前記ガラス管の内部に配置され、前記給電用導電体の端部に接続された一対の電極を備えた蛍光放電管であって、
   前記電極として請求項１または２に記載された蛍光放電管電極が用いられ、前記電極の端板部の外側に前記給電用導電体が同心状に溶着された、蛍光放電管。

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