JP4546524B2 - 電極、電極の製造方法及び冷陰極蛍光ランプ - Google Patents

Description

本発明は、冷陰極蛍光ランプに関するものであり、特に、冷陰極蛍光ランプの暗黒空間における始動性を向上させるための技術に関するものである。

一般的な放電ランプは、熱電子、光電子、高電界によって放出される電子、自然界の宇宙線に含まれる電子などを放電のきっかけとなる電子（初期電子）として利用している。従来の放電ランプのうち、光電子を初期電子として利用する放電ランプは、外部からの光が完全或いはほぼ完全に遮断された空間（暗黒空間）に設置されると、始動（点灯）が困難、或いは不能になる。何故なら、光電子はもちろん、宇宙線さえも放電ランプに届かなくなるからである。

特に、放電ランプの一種である冷陰極蛍光ランプには、以下の理由から暗黒空間における始動特性の向上が強く求められる。冷陰極蛍光ランプは、液晶表示機器のバックライトユニット用光源として今日広く用いられている。バックライトユニットのハウジングは、一般に気密構造を有する。従って、ハウジング内に設置された冷陰極蛍光ランプに外光が到達することは殆どない。すなわち、バックライトユニット用の光源として用いられる冷陰極蛍光ランプは、暗黒空間に設置されることを常とする。

そこで従来は、仕事関数の低い物質であるセシウム化合物の膜又は層（以下まとめて「セシウム化合物層」と記す）を電極の表面に形成して始動性の向上を図っていた（特開２００１−１５０６５号公報参照）。

しかし、電極の表面にセシウム化合物層を形成することには次のような問題があった。セシウム化合物はアルカリ金属であるため、セシウム化合物が放電管（ガラス管）に封入されている水銀と反応してアマルガムを形成する。この結果、ガラス管内の水銀が消耗し、ランプ寿命が短くなる。また、一対の電極の一方にセシウム化合物層を形成すると、ランプ点灯中の該電極の温度が他方に比べて低くなる。この結果、ガラス管内に封入されている水銀が、セシウム化合物層が形成されている電極側に偏り、ランプ輝度が不均一となる。さらに、セシウム化合物層は、電極の外周面に、液状のセシウム化合物を塗布することによって形成されている。しかし、必要な量のセシウム化合物を電極の外周面に均一に塗布することは難しい。

本発明は上記課題に解決するためになされたものである。本発明の目的は、優れた始動性を長期間に亘って維持可能な冷陰極蛍光ランプを提供することである。

本件発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねる過程で、イットリウム（Y）に着目した。この点、イットリウムを利用して電子放出性を改善した電極が、特開平９−３６０４２２号公報、特開平９−１１３９０８号公報、特開平１１−２７３５３３号公報に記載されている。しかし、これら公報に記載されている電極は、その表面にイットリウムの層又は膜が形成されたものに過ぎない。放電ランプの電極に耐スパッタ性が強く要求されることからも明らかなように、電極は、ランプ点灯中に、アルゴン（Ar）やネオン（Ne）の衝突によってスパッタされる。よって、スパッタによって、電極表面に形成されたイットリウムの層又は膜が失われ、効果を継続的に得ることはできない。そこで、本件発明者らは、更なる研究を重ねて本件発明を完成させた。

本発明の電極は、冷陰極蛍光ランプに用いられる電極である。本発明の電極の主成分はニッケル（Ni）であり、かつ、本発明の電極には、イットリウム（Y）及び酸化イットリウム（YOx）の双方、或いは一方が分散されている。

本発明の電極の製造方法は、イットリウム（Y）及び酸化イットリウム（YOx）の双方、或いは一方とニッケル（Ni）とを溶融させて、イットリウム（Y）及び酸化イットリウム（YOx）の双方、或いは一方が分散されたニッケル基の金属材料を得る工程と、前記金属材料を所望形状に加工する工程とを含む。

本発明の冷陰極蛍光ランプは、上記本発明の電極又は上記本発明の製造方法によって製造された電極を備える。

上記及びそれ以外の本発明の目的、特徴及び利点は、下記の記載及び本発明の一例を示す添付図面の参照によって明らかになる。

本発明の放電ランプの実施形態の一例を示す断面図である。 本発明の放電ランプの実施形態の他例を示す断面図である。 従来の放電ランプの一例を示す断面図である。

（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。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を有する。ガラス管２の両端は、封止ガラス（ビードガラス３）によって気密に封止されている。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。蛍光体層を形成している蛍光体は、ハロリン酸塩蛍光体や希土類蛍光体などの既存又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される。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形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、希ガス（アルゴンガス、又はアルゴンガズとキセノンガスやネオンガス等との混合ガス）及び水銀が所定量封入されている。さらに、内部空間５内は、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、内部空間５の端部よりもやや内側に配置されている。また、互いの開口部が対向する向きで配置されている。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に溶接されている。リードの他端は、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、ビードガラス３と熱膨張係数が同一又は略同一の導電性材料（本例ではコバール）によって作られている。

図２は、冷陰極蛍光ランプ１が備える電極ユニット６の拡大斜視図である。電極ユニット６を構成している筒状電極７は、長手方向の一方に開口部１０が形成され、他方が底面部８によって閉塞されたカップ状の形状を有する。この筒状電極７は、板状又は線状（ワイヤー状）の金属材料をプレス加工又はヘッダー加工して図示されている形状としたものである。

上記金属材料は、酸化イットリウム（YOx）を分散させたニッケル基の金属材料である。より具体的には、酸化イットリウムの粉末とニッケル（Ni）の粉末とが混合された混合粉末を溶融溶解させて一体化させた金属材料である。この金属材料は、ニッケル99.3重量％（0.01％以下のコバルトを含む）、酸化イットリウム0.55重量％、マンガン0.1重量％、不純物（炭素、けい素、銅、硫黄、マグネシウム、鉄）0.05重量％の混合比を有する。この金属材料から作られた筒状電極７も実質的に上記と同様の組成を有する。尚、酸化イットリウムは、その性質上、金属材料の結晶粒界領域に選択的に析出している。

筒状電極７が上記組成を有するため、本例の冷陰極蛍光ランプ１は、暗黒空間中であっても始動性に優れる。具体的には、筒状電極７中に分散されている酸化イットリウムからは常時電子が放出されている。よって、該電子を初期電子とし、筒状電極７への電圧印加とほぼ同時に放電が開始される（冷陰極蛍光ランプ１が点灯する）。さらに、筒状電極７は、その表層部のみでなく、内部にも均一に酸化イットリウムが存在している。従って、筒状電極７の表層部の酸化イットリウムがスパッタによって消耗しても、内部の酸化イットリウムが順次表層部に現れる。よって、良好な始動性が長期間に亘って継続される。

次に、本発明の効果を確認するために行った試験の結果を表１に示す。この試験では、本例の冷陰極蛍光ランプ１と同一の冷陰極蛍光ランプ（試験対象）を１０本用意した。0.1ルクス以下の暗黒空間中で、各冷陰極蛍光ランプに電圧を印加し、電圧印加から点灯までの時間（始動時間）を計測した。また、表面にセシウム化合物層が形成されたニッケル電極を備えた冷陰極蛍光ランプ（比較対象１）を１０本用意した。また、セシウム化合物層が形成されていない単なるニッケル電極を備えた冷陰極蛍光ランプ（比較対象２）を１０本用意した。比較対象１および２の始動時間を上記と同様の条件下で測定した。

表１から明らかなように、本発明の冷陰極蛍光ランプは、ニッケル電極を備えた冷陰極蛍光ランプ（比較対象２）に比べて始動性が著しく向上している。さらに、セシウム化合物層が形成された電極を備えた冷陰極蛍光ランプ（比較対象１）と比べても、同等かそれ以上に始動性が向上している。さらに、本発明の冷陰極蛍光ランプが備える筒状電極７の内部には、酸化イットリウムが均一に分散されているので、比較対象１と同等かそれ以上の始動性が長期間に亘って継続する。

また、上記試験その他の試験によって、本発明の冷陰極蛍光ランプが耐スパッタ性に関しても優れた効果を奏することが確認された。

従来の放電ランプの電極には、純ニッケル又はニッケル基の金属材料からなる電極が用いられていた。例えば、ニッケル99.7重量％、マンガン0.1重量％、鉄0.1重量％、不純物（炭素、けい素、銅、硫黄）0.1重量％の混合比を有するニッケル基の金属材料からなる電極が用いられていた。純ニッケルやニッケル基の金属材料からなる電極には、次の利点がある。（１）ガラス管の端部を気密に封止するための封止材として一般的なコバールとの溶接が容易である。（２）管電流が4.0〜5.0mAとなる条件下での使用に十分耐え得る耐久性を有する。（３）加工が容易かつ安価である。

しかし、液晶表示機器の大画面化や高輝度化に伴って、冷陰極蛍光ランプには、5.0mA以上の管電流への対応が迫られた。そして、管電流が増大すると、電極の負荷も増大するので、電極の耐スパッタ性を向上させる必要がある。そこで、冷陰極蛍光ランプの電極には、ニッケルに比べて耐スパッタ性に優れるモリブデン（Mo）やニオブ（Nb）などの高融点焼結金属が用いられるようになった。一方、高融点焼結金属製の電極には、リード線との溶接時やガラス管への装着時に酸化するという新たな問題があった。また、ニッケルに比べて材料単価が著しく高価であるばかりでなく、加工も困難かつ高コストである、という問題もあった。

よって、ニッケルを主成分とし、かつ、耐スパッタ性にも優れる電極を実現する本発明によれば、冷陰極蛍光ランプの始動性に関する上記問題のみでなく、耐スパッタ性に関する上記問題も同時に解決される。

表２に、図１に示す筒状電極７に含まれる酸化イットリウムの量（混合比）を様々に変化させつつ、該筒状電極７の耐スパッタ性及び冷陰極蛍光ランプ１の始動性を試験した結果を示す。表中「○」は、試験結果が良好であったことを示している。「△」は普通（従来と同程度）であったことを、「×」は望ましい結果が得られなかったことをそれぞれ示している。尚、表中に示されている酸化イットリウム（YOx）の量（重量％）は、筒状電極７に酸化イットリウム及びイットリウムの双方が分散されている場合、両者を合わせた量を示している。

表２から、酸化イットリウムの混合比が0.02重量％〜1.50重量％の範囲内で、良好な結果が得られていることが理解できる。さらに、混合比が0.15重量％〜1.20重量％の範囲内では、耐スパッタ性及び始動性の双方が常に良好であることが理解できる。

ここで、酸化イットリウムの一例としてイットリア（Y2O3）がある。しかし、本発明において電極に分散される酸化イットリウムは、イットリアに限定されるものではない。また、イットリウムは活性が高く、酸化され易い性質を有する。よって、ニッケルと混合させる際には、酸化イットリウムの形態で混合することが便利である。もっとも、金属イットリウム（Y）とニッケルと混合させた金属材料によって電極を形成してもよい。また、酸化イットリウム及びイットリウムとニッケルとを混合させた金属材料によって電極を形成してもよい。尚、イットリウムとニッケルと混合させて金属材料を製造する過程及びその他の過程において、イットリウムが酸化イットリウムに変化することがある。この場合も、製造された金属材料によって形成された電極にはイットリウム及び酸化イットリウムの双方が分散されている。要するに、電極に酸化イットリウムが分散されている場合、その酸化イットリウムは、酸化イットリウムの形態でニッケルに混合されたものであっても、金属材料の製造過程その他において形成された酸化イットリウムであってもよい。

電極の組成は、上記組成に限定されるものではない。例えば、ニッケル97.35重量％（0.01％以下のコバルトを含む）、イットリウム又は酸化イットリウム0.55重量％、マンガン2.0重量％、及び不純物（炭素、けい素、銅、硫黄、マグネシウム、鉄）0.1重量％の混合比を有するものであってもよい。

また、電極の形状は、上記筒状に限定されるものではなく、板状、柱状その他の所望の形状とすることができる。

（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と実施形態１の冷陰極蛍光ランプとは、電極ユニットを構成している筒状電極の組成のみが異なる。そこで、筒状電極の組成についてのみ以下に説明し、実施形態１と同一の構成部分については説明を省略する。

本例の冷陰極蛍光ランプが備える筒状電極には、イットリウム及び酸化イットリウムの双方、或いは一方に加えて、脱酸素作用を有する金属（本例では、チタン（Ti））が分散されている。具体的には、本例の冷陰極蛍光ランプが備える筒状電極は、ニッケル99.35重量％（0.01％以下のコバルトを含む）、イットリウム又は酸化イットリウム0.55重量％、チタン0.05重量％、不純物（炭素、けい素、銅、硫黄、マグネシウム、鉄）0.05重量％の混合比を有する金属材料によって作られており、実質的に該金属材料と同様の組成を有する。

脱酸素作用を有する金属を分散させることによって、暗黒空間における始動性がさらに向上する。その理由は、脱酸素作用を有する金属によって、酸化していたイットリウムの一部が還元されるためである。また、脱酸素作用を有する金属によって耐スパッタ性が向上することも確認されている。

脱酸素作用を有する金属としては、チタンの他に、マンガン（Mn）、ジルコニウム（Zr）又はハフニウム（Hf）が挙げられる。表３に、酸化イットリウムの混合比を一定とし、脱酸素作用を有する金属の種類及び混合比を様々に変化させつつ、筒状電極の耐スパッタ性及び冷陰極蛍光ランプの始動性を試験した結果を示す。表中「◎」は、試験結果が極めて良好であったことを示している。以下同様に、「○」は良好であったことを、「△」は普通（従来と同程度）であったことを、「×」は望ましい結果が得られなかったことをそれぞれ示している。尚、表中に示されている酸化イットリウム（YOx）の量（重量％）は、筒状電極７に酸化イットリウム及びイットリウムの双方が分散されている場合、両者を合わせた量を示している。

（実施形態３）
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と実施形態１、２の冷陰極蛍光ランプとは、電極ユニットを構成しているリード線の構造のみが異なる。そこで、リード線の構造についてのみ以下に説明し、実施形態１、２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、本例のリード線９ｂは、コバールからなる外側部３３の内側に、銅（Ｃu）又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、主に電極から発生する熱の放熱のために設けられている。リード線９ｂの後端には、ニッケル鉄合金の周囲を銅で被覆したジュメット３４が接合されている。リード線９ｂは、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は実施形態１又は２で説明した金属材料と同一の金属材料によって形成されている。従って、本例の冷陰極蛍光ランプの始動性及び耐スパッタ性は、実施形態１又は２の冷陰極蛍光ランプ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略同一である。よって、筒状電極７とリード線９ｂとの接合に過度の高温を必要としない。従って、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は極めて低い。

本発明の選択された実施形態は特定の用語を用いて記載されているが、この記載は例示のみを目的とするものであり、下記の請求の範囲の要旨及び範囲から逸脱することなく変更及び変形が可能なことが理解される。

Claims (13)

1. 冷陰極蛍光ランプに用いられる電極であって、ニッケル（Ni）を主成分とし、イットリウム（Y）及び酸化イットリウム（YOx）が分散され、
   前記イットリウム（Y）及び前記酸化イットリウム（YOx）の混合比が合計で0.02重量％〜1.50重量％であり、
   前記イットリウム（Y）及び前記酸化イットリウム（YOx）は、ニッケル（Ni）とイットリウム（Y）と酸化イットリウム（YOx）とを溶融させて一体化させることにより主成分である前記ニッケル（Ni）中に分散させたものである電極。
2. 脱酸素作用を有する金属がさらに分散されている請求項１記載の電極。
3. 前記脱酸素作用を有する金属が、チタン（Ti）、マンガン（Mn）、ジルコニウム（Zr）又はハフニウム（Hf）のいずれかである請求項２記載の電極。
4. 前記脱酸素作用を有する金属がチタン（Ti）であって、その混合比が0.009重量％〜0.800重量％である請求項３記載の電極。
5. 前記脱酸素作用を有する金属がマンガン（Mn）であって、その混合比が1.1重量％〜4.0重量％である請求項３記載の電極。
6. 前記脱酸素作用を有する金属がジルコニウム（Zr）又はハフニウム（Hf）であって、その混合比が0.05重量％〜1.10重量％である請求項３記載の電極。
7. 一端が開口され、他端が閉塞された筒状の形状を有する請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電極。
8. 酸化イットリウム（YOx）とニッケル（Ni）とを溶融させて、酸化イットリウムが分散されたニッケル基の金属材料を得る工程と、
   前記金属材料を所望形状に加工する工程とを含む電極の製造方法。
9. 酸化イットリウム（YOx）と、イットリウム（Y）と、ニッケル（Ni）とを溶融させて、酸化イットリウム及びイットリウムが分散されたニッケル基の金属材料を得る工程と、
   前記金属材料を所望形状に加工する工程とを含む電極の製造方法。
10. 酸化イットリウム（YOx）と、ニッケル（Ni）と、脱酸素作用を有する金属とを溶融させて、酸化イットリウム及び脱酸素作用を有する金属が分散されたニッケル基の金属材料を得る工程と、
    前記金属材料を所望形状に加工する工程とを含む電極の製造方法。
11. 酸化イットリウム（YOx）と、イットリウム（Y）と、ニッケル（Ni）と、脱酸素作用を有する金属とを溶融させて、酸化イットリウム、イットリウム及び脱酸素作用を有する金属が分散されたニッケル基の金属材料を得る工程と、
    前記金属材料を所望形状に加工する工程とを含む電極の製造方法。
12. 前記金属材料を一端が開口され、他端が閉塞された筒状に加工する請求項８乃至請求項１１のいずれかに記載の電極の製造方法。
13. 気密に封止された内部空間を有するガラス管と、前記ガラス管の前記内部空間内に封入された希ガスおよび水銀ガスと、前記ガラス管の内壁面に形成された蛍光体層とを有する冷陰極蛍光ランプであって、
    前記ガラス管の前記内部空間内に、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の電極が対向状態で配置されている冷陰極蛍光ランプ。

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