JP4315099B2 - 冷陰極蛍光ランプとその製法 - Google Patents

Description

本発明は、ＯＡ機器または液晶テレビ等の表示画面のバックライト用の光源に使用される冷陰極蛍光ランプに関するものであり、特に、放電特性に優れ、かつ製造が容易で寸法精度の高いカップ型放電極に係わる。

冷陰極蛍光ランプは、グロー放電領域で発光するランプであり、内面に蛍光体を塗布したガラス管内に、数ｋＰａ（数十Ｔｏｏｒ）のネオン、アルゴン等の希ガスと数ｍｇの水銀が封入され、両端に電極が設けられる。電極間に高周波電源を印加して低圧の水銀蒸気中でグロー放電させ、放電により励起された水銀が紫外線（２５３．７ｎｍ）を発生し、その紫外線によって更に蛍光体が励起され、蛍光体固有の光を発生する。電極は主にカップ形状であり、ホローカソード効果によって管電圧と消費電力（低発熱）が低く、かつ長寿命化が図られている。電極材質は、ニッケル、ニオブ、チタンータンタル、タングステン、モリブデン等がそれぞれの用途及び目的に応じて採用されている。

カップ電極の形状は大型のものと小型のものに分かれ、小型のものは、外径１．２〜３ｍｍ、壁厚０．１５〜０．３ｍｍ、カップ深さ３〜６ｍｍといった微小型のもののニーズが高まりつつある。このような微小寸法の製品の製造歩留まりは低く、効率的でかつ寸法精度が高く、しかも大量生産に適する製造方法の実用化が望まれている。これまでの製法の具体例としては、金属薄板からの絞り加工法や射出成形装置による粉末成形法などが利用されているが、必ずしも満足できる状態ではない。

特開２０００−１３３２０１号公報記載の発明は、金属製円筒状部をモリブデン、モリブデンを有する化合物、タンタル、タンタルを有する化合物のうちの１種の金属もしくは金属化合物で構成され、管状のスリーブに成形加工して、その一端に導電性金属棒が挿入され、スリーブに設けた窪みで物理的、電気的接続が行われている。しかし、金属スリーブは電子を放出するための仕事関数が十分に低くなく、表面に仕事関数が小さくかつ蒸気圧が低い高融点物質であるエミッタ材料を塗布している。エミッタ材料としてはアルカリ土類金属元素、希土類金属元素の少なくとも１種である。

特開２００３−２４２９２７号公報記載の発明は、放電ランプ用電極の材料として、タングステンもしくはモリブデン又はこれらに０．２５〜１質量％のニッケルを添加し、更に放電特性改良剤として、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化ストロンチウム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バリウム、酸化トリウム、酸化ランタンのうちの１種又は２種以上を０．１〜４ｗｔ％含有させたものである。この電極は１μｍ以下のタングステン粉末又はモリブデン粉末に適量のドープ剤と放電特性改良剤とを添加し、水素還元した後、有機質バインダを加えて射出成形する。成形体は８００℃程度の中温で脱脂した後、水素中で１８００℃以上の高温で燒結して、相対密度９８％程度の電極を形成する。

上述のように、従来の電極は、ニッケル、モリブデン、ニオブ、タングステン、タンタル等の金属材料を塑性加工した場合は、電子を放出するための機能が十分でなく、電極表面の仕事関数を小さくするために、例えば、蒸気圧が低く、高融点物質であるエミッタ材料の放電特性改良剤を塗布するなどの、煩雑な工程が必要であった。
また、金属粉末を射出成形する場合は、エチレンビニルアセテート、ブチルメタアクリレート、ポリスチレン重合体、パラフィンワックス、フタル酸ブチル、ステアリン酸等の有機質バインダーを約２０容量％以上混練し、１５０〜２００℃の温度で射出成型し、８００℃付近で脱脂した後１８５０℃以上の高温度領域で燒結する。有機質バインダーを飛散させ、分散している金属粒子を燒結するため、特殊な炉と多くのエネルギーを必要とする。また、有機質バインダーによる粉末表面への不純物の混入、あるいは燒結によって２５〜４０％の体積収縮が起きるため、燒結物の寸法精度が低下するという問題点がある。

燒結体に関しては、特開２００４−１７８８７５号公報にも詳しく報告されている。射出成形物は１６００〜２３００℃の水素雰囲気中で燒結するため、相対密度が８０〜９８％、好ましくは９０〜９８％になる。原料の結晶粒子は５μｍ以下（実施例の原料粉末は、平均粒径が１〜５μｍである。）であったものが３０〜４０μｍへと大きく成長する。このため、燒結体表面は、結晶粒子に相応したなだらかな起伏を有する面となり、放電特性上の形状効果はさほど期待できないものと考えられる。

特開２０００−１３３２０１号公報 特開２００３−２４２９２７号公報 特開２００４−１７８８７５号公報

本発明の第１の課題は、放電特性に優れた冷陰極蛍光ランプを提供することである。また、第２の課題は、寸法精度が高く、不純物の混入が少なく、小型化に対応することができ、しかも量産性に優れた電極部材を提供することである。

本発明の第１の手段は、内面に蛍光体膜を有し、放電媒体を封入したガラスバルブ内の両端に、対向して設けたカップ形状の導電ワイヤーを有する電極部材を封着した蛍光ランプにおいて、前記電極部材は、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステンから選ばれた１種以上の金属粒子が拡散結合で互いに結合した多孔質拡散結合体であり、表面に０．１〜５μｍの連続的凹凸面を有することを特徴とする冷陰極蛍光ランプである。カップ状電極の内壁表面には、原料の金属粉末１個分程度の小孔が多数点在し、しかも０．１〜５μｍの連続的凹凸面が形成されているため金属の圧延面に比べて表面積が著しく大きく、放電特性が優れている。

第２の手段は、ランプに組み込む電極部材の原料は、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステンから選ばれた１種以上の金属微粒子であり、いずれも０．５〜２μｍの範囲の平均粒子径を持ち、かつ１μｍ以下の粒子が２０〜５０容量％、２μｍ以上の粒子が２０容量％以下であることを特徴とする。使用する金属粒子は、１μｍ以下の微細粒子とそれよりも大きな粒子の均一な混合物であることが必要である。勿論、粒子径は分布をもち、前記の範囲を外れるものが若干あっても支障はない。

本発明の第３の手段は、電極部材は、原料のニオブ、モリブデン、タンタル、タングステンから選ばれた１種以上の金属微粒子に、放電特性を改良するために０．１〜３質量％の６硼化ランタンを添加したものである。これによって放電特性は改良される。なお、その他の添加物は、あらかじめテストし、支障のない範囲で添加することができる。

本発明の第４の発明は、電極部材の相対密度を特定したものである。原料の金属微粒子を所定の形状に圧密成形した圧粉体を、真空中または還元性雰囲気中で拡散結合させ、相対密度が６０〜８５％の多孔質拡散結合体に形成している。金属微粒子を５００ＭＰａ以上の圧力で所定の形状に圧縮成形すると、相対密度が約５０％以上の係合状態の圧密成形体である圧粉体が得られる。有機質バインダー等の添加物を加えない状態で、ハンドリングに支障のない強度を有している。
これを加熱処理することによって、相対密度が６０〜８５％の金属多孔質拡散結合体が得られる。この多孔質体の電気抵抗は、ほぼ金属の電気抵抗に近い値を示している。

本発明の第５の発明は、冷陰極蛍光ランプの製法に関するものである。内面に蛍光体膜を有し、放電媒体を封入したガラスバルブ内の両端に、対向して設けたカップ形状の導電ワイヤーを有する電極部材を備えたランプであって、前記電極部材は、原料のニオブ、モリブデン、タンタル、タングステンから選ばれた１種以上の金属粒子が、０．５〜２μｍの平均粒子径であり、かつ１μｍ以下の粒子が２０〜５０容量％、２μｍ以上の粒子が２０容量％以下であり、該金属微粒子を金型等によって圧密成形したものを、真空中または還元性雰囲気中で再結晶温度以上の温度域で拡散結合させることによって、表面に０．１〜５μｍの連続的凹凸を有する電極部材を製造することができる。

本発明において、原料の金属微粒子を有機質バインダー等を混入せずに機械的に圧縮して成形したものを以下「圧粉体」という。また、圧粉体を加熱処理して、微小粒子を融合させ、大きな粒子の形状を残して圧粉体を強固に結合させたものを「拡散結合体」という。

本発明の冷陰極蛍光ランプのカップ状電極は、特定な平均粒子径を有する特定な金属微粒子原料を圧粉体にし、ついで再結晶温度以上の温度域で加熱処理して拡散結合体にしたものである。圧粉体は、金属微粒子同士が直接緊密に接触しているために、再結晶温度以上の温度域で粒子間に拡散反応が起こり、原料の金属微粒子の集合状態に近い形状のままで、機械的強度の高い多孔質体である拡散結合体が得られる。すなわち、電極表面に、０．１〜５μｍの高さの連続的凹凸が形成されるので、その比表面積が高く、電極から放出される電子密度が高まる。また、多孔質体の内部に水銀が保持されやすく、ランプ寿命を長くできる。
電極の製法において、圧粉体の加熱温度は１３００〜１６５０℃付近の工業的に管理しやすい温度域である。加熱処理に際しての体積収縮は１０〜１５％前後であり、拡散結合した電極部材の寸法精度は高い。また、圧粉体を作るとき、有機質のバインダー等を使用しないため、不純物の混入がなく、品質も安定したものが得られる。

本発明は、内面に蛍光体膜を有し、ネオン、アルゴン等の希ガスと水銀を放電媒体として封入したガラスバルブ内の両端に、対向して設けたカップ形状の電極部材を封着した蛍光ランプである。前記電極部材は、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステンから選ばれた１種以上の金属微粒子の多孔質結合体である。なお、放電特性改良剤として硼化ランタンその他イットリウム、セリウム、ストロンチウム等の酸化物を添加することができる。
金属微粒子の原料は、平均粒子径が０．５〜２μｍの範囲であり、かつ１μｍ以下が２０〜５０容量％、２μｍ以上が２０容量％以下である。１μｍ以下の粒子とそれ以上の粒子とを均一に混合させることによって、加熱処理した電極部材の表面に０．１〜５μｍの高さの連続的凹凸と表面に連通した間隙を持った多孔質体である拡散結合体が形成される。

ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステンから選ばれた１種以上の金属の微粒子を圧縮成形すると、１μｍ以下、とくに０．５μｍ以下の微細粉末粒子は、成形圧力に従って粒子同士で塑性変形して歪エネルギーが高まる。このような圧粉体を再結晶温度以上の温度に加熱すると、粒子間で相互拡散して３次元の網状体に成長する。１μｍ以上の径の粒子でも隣接する粒子の接触部分の表面エネルギーが高く、局部的な拡散結合が起こり、また網状体とも結合して、強固な多孔質拡散結合体が形成される。

このときフリーになっている表面の粒子は、ほぼ元の大きさの凸部となって残存し、拡散結合体の表面には、原料の金属微粒子の大きさに近似した連続的な凹凸面が形成される。加熱処理の時間が短い間は、表面に突出する粗粒子の表面が内部に向かって拡散するので、表面粗さが小さくなるが、これに伴い機械的強度が高まる。圧粉体の表面粗さの８０％程度に減少すれば拡散結合体としての十分な強度が得られる。加熱処理を続けると結晶粒子が粗大化し、それに伴い表面粗さが大きくなり、電極としての性能が低下する。機械的強度と電気的性能から判断して、表面粗さは０．１〜５μｍの連続的凹凸面であることが好ましい。

圧粉体の加熱処理は、原料金属の再結晶温度を超えた温度域で行われる。再結晶温度は一般に融点の約半分程度と言われ、モリブデンの場合は融点の２６２３℃に対して、１３００℃以上で拡散反応が生じる。タングステンの融点は３３８７℃であり、拡散反応は１６００℃以上で起きる。拡散結合の程度は、加熱温度と時間によって変り、モリブデン粒子を５００ＭＰａ以上の力で圧縮成形すると係合状態の圧密体が得られ、１３００〜１５００℃の真空中または還元性雰囲気中で３０分以上加熱処理することで強度の高い拡散結合体が得られる。タングステンを含む場合は、１６００℃以上に高める必要がある。

工業的に取り扱いやすい加熱炉の温度は、１３００〜１６５０℃前後であり、モリブデン及びタングステンの再結晶温度をカバーしている。もちろん、処理時間にも関係するが、１７００℃以上の高温炉や、高周波炉や直接通電による加熱炉によって処理することができる。しかし、必要以上に加熱温度を高く設定したり、時間を長くすると、拡散結合の度合いが高くなり、次第に拡散結合から燒結状態へ進み、相対密度も高まり、表面の凹凸が失われ、放電電極としての性能が低下する。そこで、折り曲げ強度等の機械的指標で拡散結合の程度を評価し、これに従って、加熱温度と加熱時間を設定しておくことができる。
拡散結合体の相対密度は、約７０〜８５％であり、圧粉体に比べて体積が１０％程度収縮することになる。この収縮は、ほぼ均一に起こり、カップ形状の底面と筒部、とくに底面と筒部との境界付近での局部的な異常変形等は認められない。

本発明の金属粒子を圧密成形した圧粉体は、粉体用に設計された金属金型によって容易に大量生産できる。この場合は、約５００〜７００ＭＰaの加圧力によって相対密度が５０〜７０％の圧密成形体が得られる。また、金属微粒子を静水圧プレスによって圧密成形することによって圧粉体を形成し、これを焼結して多孔質体とすることができる。静水圧プレスは、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ）とも呼ばれ、通常４００ＭＰａの水圧によって成形する。圧密された成型体は、使用した金属微粒子の粒径と粒径分布及び加圧力によっても変わるが、６０％以上の相対密度を持ち、ハンドリング等によって破損することはない。

本発明の電極部材の表面粗さは、非接触式のレーザ顕微鏡によって、ＪＩＳ Ｂ０６０１による測定方法が便利である。計測は算術平均粗さ（Ｒａ）、最大高さ（Ｒｙ）、十点平均粗さ（Ｒｚ）として数値評価することができる。
また、数μｍ以上の粗度は、電極断面を樹脂等に埋めて研磨し、光学顕微鏡で直接測定することができる。
さらに、表面を走査型電子顕微鏡で観察することによって、穴の分布状態等を含めて２次元的な電極表面の評価をすることができる。
図１は、金属粉末の圧粉体を加熱処理して得られた拡散結合体の表面を８０００倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。同じく図２は、加熱処理前の圧粉体表面である。また、図３は、参考のために掲示したモリブデン金属を圧延した表面である。レーザ顕微鏡による圧延面の粗度は、算術平均粗さ０．０２μｍ、最大高さ０．１μｍ、十点平均粗さ０．０８μｍであった。
図１と図２とを比較すると明らかなように、本願発明の電極部材は、内部応力の高い圧密成形体を加熱処理することによって、細かい粒子が融合し、大きな粒子を取り込んで、強固な多孔質拡散結合体を形成していることが判る。すなわち、図１の電極の表面は、２μｍ以下の連続的凹凸と、原料粒子１個分程度の穴があり、図３の押出し成形した金属の塑性加工面に比べて、比表面積が数十倍以上あり、その分だけ電子の放出点も多くなるものと考えられる。

電極は、カップ形状の電極の底部に、モリブデン金属線の一端を拡散接合で接続することができる。２５〜５００℃におけるモリブデン金属線の線膨張率は、硼珪酸ガラスやアルミノシリケートガラスと近似した５．０〜５．５ｐｐｍであり、ガラスバルブを貫通させたリード線の封止が容易に行える。もちろん、拡散結合体と金属線の金属的結合及び電気的結合は、拡散処理工程で確実に達成される。

平均粒子径が１．１μｍで１μｍ以下の粒子が４５容量％、２μｍ以上の粒子が８容量％のモリブデン粉末を、成形用金型に注入し、上下のパンチ間で６５０ＭＰａの圧力を加えて、カップ状の係合状態にある金属微粒子の圧粉体を得た。形状は外径３．０ｍｍ、内径２．６ｍｍ、高さ６ｍｍであり、相対密度は６６％である。
金属微粒子の圧粉体は、水素炉中で、温度を次第に上げ、最高温度１３５０℃で４０分間燒成した。得られたカップ状燒結電極は、外径２．７５ｍｍ、内径２．４ｍｍ、高さ５．３ｍｍであり、相対密度は７５％であった。
圧粉体及び拡散結合体の表面粗度を自動演算ソフトを付属したキーエンス製のレーザ顕微鏡ＶＫ−８５１０で測定した。測定深さ（Ｚ方向）１５μｍ、測定ピッチ０．０２μｍ、測定長さ１００μｍである。
圧粉体の表面５箇所の平均値は、算術平均粗さ（Ｒａ）０．２、最大高さ（Ｒｙ）１．３、十点平均粗さ（Ｒｚ）０．７であった。
同じく拡散結合体の表面粗度５箇所の平均値は、算術平均粗さ（Ｒａ）０．１、最大高さ（Ｒｙ）０．５、十点平均粗さ（Ｒｚ）０．３であった。
カップ状電極の底部にコバールを介してモリブデン線を抵抗溶接で接続し、ガラスバルブ内に放電媒体とともに封入して蛍光ランプに組み立てた。点灯開始電圧は、同一形状のモリブデン板材を絞り加工したランプの９２％であり、良好な放電特性を有する冷陰極蛍光ランプが得られた。

平均粒子径が１．２μｍのタンタル粉末１０重量％と６硼化ランタン１重量％と平均粒子径が１．４５μｍのモリブデン粉末の残部をミキサーで十分に混合し、原料の金属粉体を準備した。１μｍ以下の微粉体は３３容量％、２μｍ以上の粗粉体は７容量％であった。これをフィーダを使って、所定の形状の金型に入れ、７５０ＭＰａの力で圧縮成形した。型の底には直径０．３ｍｍ、のモリブデン線を頭部がカップの底に貫入するように保持した。相対密度は、約７１％であった。
タンタルーモリブデン系の圧粉体は、水素炉中で１６５０℃に３０分間加熱し、拡散結合体を得た。外形１．７ｍｍ、内径１．３４ｍｍ、長さ５．５ｍｍ、相対密度８１％であった。
ガラスバルブ内に放電媒体とともに封入して蛍光ランプに組み立てたところ、点灯開始電圧は、モリブデン板材電極の８７％であり、良好な放電特性を有する冷陰極蛍光ランプが得られた。

本発明の拡散結合した電極部材の表面を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。 本発明の粉体を圧密成形した圧粉体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。 モリブデン板材を絞り加工したときの表面を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。

Claims (3)

1. 内面に蛍光体膜を有し、放電媒体を封入したガラスバルブ内の両端に、対向して設けたカップ形状の導電ワイヤーを有する電極部材を封着した蛍光ランプにおいて、前記電極部材は、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステンから選ばれた１種以上の金属粒子が拡散結合で互いに結合した多孔質拡散結合体であり、前記金属粒子は、0.5〜2μｍの平均粒子径を持ち、かつ１μｍ以下の粒子が20〜50容量％、2μｍ以上の粒子が20容量％以下であり、
   当該金属粒子を相対密度が50％以上の係合状態の圧粉体に形成した後、真空又は還元性雰囲気中で燒結処理をすることによって、前記多孔質拡散結合体の表面に0.1〜5μｍの連続的凹凸が形成されていることを特徴とする冷陰極蛍光ランプ。
2. 前記電極部材は、原料のニオブ、モリブデン、タンタル、タングステンから選ばれた１種以上の金属粒子に0.1〜3重量％の6硼化ランタンを添加したものであることを特徴とする請求項1に記載の冷陰極蛍光ランプ。
3. 内面に蛍光体膜を有し、放電媒体を封入したガラスバルブ内の両端に対向して設けたカップ形状の導電ワイヤーを有する電極部材を備えたランプの製法において、前記電極部材は、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステンから選ばれた１種以上の金属粒子に６硼化ランタンを添加した多孔質拡散結合体であり、前記金属粒子は、0.5〜2μｍの平均粒子径を持ちかつ１μｍ以下の粒子が20〜50容量％、2μｍ以上の粒子が20容量％以下であり、当該金属粒子を相対密度が50％以上の係合状態の圧粉体に形成した後、真空中又は還元性雰囲気中で1300〜1650℃の温度域で拡散結合させ、表面に0.1〜5μｍの連続的凹凸を有する多孔質拡散結合体を形成することを特徴とする冷陰極蛍光ランプの製法。
   
   以上