JP4830459B2 - 冷陰極蛍光放電管 - Google Patents

Description

本発明は、高輝度で長寿命の冷陰極蛍光放電管に関するものである。

冷陰極蛍光放電管（ＣＣＦＬ、Cold Cathode Fluorescent Lamp）は、ノートパソコンの液晶バックライト光源等として幅広く使用されている。
例えば、従来の冷陰極蛍光放電管は、内部に放電用ガスが充填された閉鎖空間を有するガラス管と、ガラス管の両端に固定された一対の電極と、ガラス管の内面に被覆され且つ電極の放電により発生する紫外線の照射を受けて可視光線を放出する蛍光膜により形成される発光層とを備える。ガラス管内には放電用ガスとしてアルゴン等の希ガス及び水銀が収容される。電極は、導入線と、導入線に固着されたカップ形状の放電部とを備え、導入線の導出部は、ガラス管の外で外部リードに接続される。一対の電極間に電圧を印加すると、一方の電極から電子が放出され、放出される電子がガラス管内の水銀に衝突して紫外線が発生する。紫外線は、ガラス管の内壁に形成された蛍光膜から成る発光層で波長変換され、可視光線がガラス管の外部に放出される。

近年、液晶画面に光を供給する冷陰極蛍光放電管の本数を増やして液晶画面の高輝度化に対応するが、冷陰極蛍光放電管の本数を増やすと、面光源装置の冷陰極蛍光放電管の設置空間形状（占有率）が増加し、部品コストも上昇するため、冷陰極蛍光放電管の更なる高輝度化が切望されている。
冷陰極蛍光放電管の高輝度化を達成するため、動作電流（管電流）を増大することが考えられるが、所定の管電流を超える電流を電極に流すと、電極の消耗量が増加して、一般的に冷陰極蛍光放電管の使用寿命が短命化する難点がある。即ち、一対の電極間に大電流を流すと、電極のスパッタリング量が増大し、電極から冷陰極蛍光放電管の閉鎖空間に放出される電極スパッタ物（電極金属の原子又は分子）の総量が増加する。電極スパッタ物は、ガラス管の内壁面の水銀（液体水銀）と結合して水銀アマルガムを形成する。従って、ガラス管の閉鎖空間に封入される水銀が電極スパッタ物に捕捉（トラップ）されると、放電現象によってガラス管の内壁面が加熱されても、水銀は気化せず発光に寄与しなくなる。例えば２５００〜１００００時間の長時間に渡って冷陰極蛍光放電管を使用すると、電極スパッタ物にトラップされた水銀量が増加し、水銀から照射される紫外線の総量が減少し、冷陰極蛍光放電管の輝度が著しく低下する。これは、冷陰極蛍光放電管寿命の短命化を意味する。所定の冷陰極蛍光放電管寿命を得るには、過剰の水銀を封入しなければならないが、使用する水銀量の増大は、環境上問題である。

そこで、電極の面積を広げる方法が考えられるが、電極の面積を広げるには、電極長を長くするか又は電極の径を太くする方法が考えられる。しかしながら、これらの方法にも種々の問題がある。即ち、電極長を長くすると、電極を包含して形成される冷陰極蛍光放電管も長くなり、冷陰極蛍光放電管の寸法増加に伴い、冷陰極蛍光放電管の設置空間形状を含むシステム構成を変更しなければならない。他面、電極の直径を太くすると、電極を包含するガラス管の外径も大きくなる。従来の冷陰極蛍光放電管のガラス管断面の直径は、電極を設ける個所と発光する個所の直径が等しく全長にわたり均一であるから、電極の直径の増大に応じて、発光する個所の直径も大きくなる。管電流一定の条件で発光する個所の径が増大すると、発光する個所の管電流の電流密度が低下するので、冷陰極蛍光放電管の発光効率は低下する。従って、電極の直径を太くしても所望の高輝度化効果が得られにくい。

冷陰極蛍光放電管の短命化及び輝度劣化の問題は、一対の電極の近傍領域に水銀を選択的に分布させて、低温時の点灯特性を向上させる冷陰極蛍光放電管に特に顕著に発生する。即ち、一対の電極の近傍領域に水銀を選択的に分布させる場合、一対の電極に電圧を印加させると、電極の加熱により、電極の近傍領域が比較的短時間で昇温するため、水銀蒸気圧の上昇と水銀発光が速やかに開始することが判明した。しかしながら、電極の近傍領域に分布する水銀は、電極スパッタ物にトラップされ易く、発光に寄与する有効な水銀の総量が比較的短時間で減少する。また、電極からの輻射熱及び伝導熱、リーク電流によるガラス管の加熱により、電極の近傍領域は、比較的高温となるため、電極近傍領域の水銀蒸気圧は高くなり、水銀ガスが放射する紫外線は、蛍光体に到達する前に水銀ガス自身に吸収されるので、蛍光体による可視光への変換量が減少して、輝度が低下する欠陥もある。
このように、従来の冷陰極蛍光放電管では、電極スパッタ物の増大によって発光に寄与する水銀量が減少して冷陰極蛍光放電管寿命が短命化し、使用寿命を延長するために大量の水銀を封入する必要があり環境汚染の原因となる、等の問題があった。

また、特許文献１は、二重管構造の熱陰極蛍光放電管である。図６に示すように、二重管構造の蛍光ランプ（熱陰極蛍光放電管）は、放電性ガスを封入する閉鎖空間(4)を形成するガラス製の外管(1)と、外管(1)の両端に気密に融着され固定される一対の電極(3)と、外管(1)の閉鎖空間(4)内に配置され且つ端部(2d)を通じて閉鎖空間(4)に連絡する空洞部(2c)を有するガラス製の内管(2)と、外管(1)の内周面(1a)、内管(2)の内周面(2a)又は外周面(2b)に被着された蛍光膜(5)と、内管(2)の外周面(2b)に塗布された第２の蛍光体(13)と、放電を妨げない細いガラス体で形成され且つガラス内管(2)をガラス管(2)に固定する支持体(14)とを備えている。内管(2)の両端付近に設けられた支持体(14)は、内管(2)を外管(1)に保持する。ガラス管(2)の二つの管端部の何れか一方に電極(3)のほかに、第２の電極(18)を設けると共に、二つの電極(3)と第２の電極(18)の一方を選択的に作動させるスイッチ(16)が管端部に設けられる。蛍光膜(5)は、電球色の発光色に調合され、第２の蛍光体(13)は、昼光色の発光色に調合され、蛍光膜(5)と第２の蛍光体(13)とは、発光色の異なる蛍光体が使用される。従って、蛍光ランプの利用者は、ランプを交換せずに、スイッチ(16)を切り替えて、電球色と昼光色とを選択することができる。特許文献１の蛍光ランプでは、放電プラズマの通り道が内管(2)の中央部に絞られて、電子密度が増加しランプの輝度が増加する。

しかしながら、特許文献１の蛍光ランプは、熱陰極管であって、冷陰極蛍光放電管のように外管が細い場合、製造上、内管(2)の径もある程度必要であるため、外管(1)の内周面(1a)と内管(2)の外周面(2b)との隙間を広くすることができない。また、輝度を向上するために、内管(2)を電極(3)に接しない範囲で可能な限り長くする必要がある。
従って、輝度を向上するために内管(2)を長くすると、冷陰極蛍光放電管において外管(1)の内周面(1a)と内管(2)の外周面(2b)との間隔が小さく且つ電極(3)と内管(2)の端部(2d)との間の隙間が小さいため、電極(3)のスパッタリングによって発生する水銀アマルガムが外管(1)の電極(3)の近傍の内周面(1a)上及び内管(2)の電極(3)の近傍上に沈着して黒化を生ずると共に、外管(1)と内管(2)と電極(3)との間の空間に水銀アマルガムが埋まるように侵入して、外管(1)と内管(2)との間の隙間から電極(3)と内管(2)との隙間、内管(2)の空洞部(2c)及び外管(1)と内管(2)との間の隙間に戻る水銀ガスの循環が阻害される結果、冷陰極蛍光放電管が短寿命となる。

特開平１１−３３９７２４号公報

そこで、本発明は、高輝度で光を発生する長寿命の冷陰極蛍光放電管を提供することを目的とする。

本発明の冷陰極蛍光放電管は、放電性ガスを封入する閉鎖空間(4)を形成するガラス製の外管(1)と、外管(1)の両端に固定される一対の電極(3)と、閉鎖空間(4)内に配置され且つ一対の端部(2d)を通じて閉鎖空間(4)に連絡する空洞部(2c)を形成するガラス製の内管(2)とを備えている。電極(3)の放電部(3b)の外径は、内管(2)の内径よりも大きいので、冷陰極蛍光放電管内の電流通路であって発光する箇所である内管(2)の空洞部(2c)の断面積を小さくしながら、電極(3)の直径を大きくすることができる。従って、電極(3)の直径を大きくすることによる許容電流を増加して、大電流化を図ることができ、また空洞部(2c)内の電流密度が増加することによる輝度の向上を図ることが可能である。
更に、内管(2)の外側にある電極(3)は、内管(2)の内径より大きいので、電極(3)のスパッタリングによって発生する水銀アマルガムが内管(2)上に沈着して黒化現象を生ずると共に、外管(1)と内管(2)と電極(3)との間の空間に水銀アマルガムが埋まるように侵入して、外管(1)と内管(2)との間の隙間から電極(3)と内管(2)との隙間、内管(2)の空洞部(2c)、そして外管(1)と内管(2)との間の隙間に戻る水銀ガスの循環が改善される結果、冷陰極蛍光放電管内の温度が略均一化され、冷陰極蛍光放電管の寿命が改善される。

本発明による冷陰極蛍光放電管によれば、高輝度で長寿命の冷陰極蛍光放電管を提供することができる。

以下、本発明による冷陰極蛍光放電管の実施の形態を図１〜図５について説明する。これらの図面では、図６に示す箇所と同一の部分に同一の符号を付して説明を省略する。

図１に示すように、本発明の冷陰極蛍光放電管は、一対の電極(3)を備え、各電極(3)は、外管(1)の両端に気密に融着され且つ外管(1)の外部に導出されるリード(3a)と、外管(1)の内部に配置され且つリード(3a)に接続された放電部(3b)とを備えている。外管(1)の外径は、５.０mm以下、例えば４.０mmである。電極(3)の放電部(3b)は、円筒状の側壁(3e)と、側壁(3e)の一端に設けられ且つニッケル製のリード(3a)に接続されたフランジ(3f)とによりカップ状に形成され、側壁(3e)の他端は、内管(2)に向かって開放される。放電部(3b)の側壁(3e)の外径は、内管(2)の内径よりも大きい。更に、放電部(3b)の側壁(3e)の外径は、内管(2)の外径よりも大きいことが望ましい。なお、電極(3)は、リード(3a)と放電部(3b)とを接続するタングステン製の埋設部（図示せず）を備える。放電部(3b)との接続部のリード(3a)にガラス親和性のあるタングステン被覆を設けてもよい。また、カップ形状の代わりに、円筒状（スリーブ状）の放電部(3b)を設けてもよい。

また、電極(3)と内管(2)との間隙(8)の間隔を３mm以上、５mm以下とするのが望ましい。間隙(8)の間隔が３mm未満であると、電極(3)のスパッタリングにより生成される水銀アマルガムが外管(1)の電極(3)の近傍の内周面(1a)及び内管(2)の電極(3)の近傍上に沈着して、外管(1)の電極(3)の近傍に黒化現象が生ずると同時に、外管(1)と内管(2)と電極(3)で挟まれた空間に金属アマルガムが埋めるように侵入して、内管(2)と外管(1)との間の隙間(2d)、電極(3)と内管(2)との間の隙間、内管(2)の空洞部(2c)及び外管(1)と内管(2)との間の隙間に戻る水銀(15)の巡回が阻害されるため、冷陰極蛍光放電管(20)が短寿命となる。また、電極(3)と内管(2)との間隙(8)の間隔が５mmを超えると、有効発光領域に比べて外管(1)が長くなる。従来のように、内管(2)の内周面(2a)のみに蛍光膜(5)を塗布する場合、二重管の冷陰極蛍光放電管の外管と単管（一重管）の冷陰極蛍光放電管の外管と同じ長さにすると、二重管の冷陰極蛍光放電管は、単管の冷陰極蛍光放電管に比べて有効発光エリアが短くなる。

本発明の実施の形態では、内管(2)の外周面(2b)に外管(1)の内周面(1a)が密着若しくは融着し又は外管(1)と内管(2)とを接続し且つ直径が減少する複数の窪み(1b)として形成される。窪み(1b)は、加熱した外管(1)を内側（一対の電極(3)を結ぶ中心軸(7)方向）に押圧して変形し、窪み(1b)を内管(2)に密着若しくは融着し又は外管(1)と内管(2)とを接続する。これにより、外管(1)内の所定の位置に内管(2)を保持すると共に、中心軸(7)に対して直角であって窪み(1b)を含む平面に沿う図２の断面図に示すように、内管(2)と外管(1)とが密着若しくは融着し又は外管(1)と内管(2)とを接続する窪み(1b)の両側で、内管(2)の外周面(2b)と外管(1)の内周面(1a)と窪み(1b)とで囲まれる円弧状の間隙(2e)が形成される。図２に示すように、窪み(1b)は、限定された領域に設けられ、外管(1)と内管(2)との連結部(6)における中心軸(7)周りの角度(θ)が、９０度又はそれ以下、好ましくは４５度以下となる好適な大きさの間隙(2e)を形成すると、冷陰極蛍光放電管の管内を循環する放電ガスが妨げられないので、冷陰極蛍光放電管の寿命を良好に保つことができる。外管(1)の閉鎖空間(4)内の放電性ガスは、アルゴン等の不活性ガス若しくは希ガス又はネオン・アルゴンの混合ガスと、水銀蒸気等のガスとを含む。

図１に示す実施の形態では、内管(2)の内周面(2a)に蛍光膜(5)が塗布される。更に、内管(2)と電極(3)との間を覆う外管(1)の内周面(1a)にも部分的に蛍光膜(5)を塗布して、水銀(15)から放射される光がこの蛍光膜(5)を通過して、光波長を変換するので、長い有効発光領域が得られる。この場合、内管(2)に塗布された蛍光膜(5)と外管(1)に塗布された蛍光膜(5)とが光の通路中で重なると、外管(1)の蛍光膜(5)は、影の発生源となるので、冷陰極蛍光放電管を外側から見て、外管(1)と内管(2)の蛍光膜(5)との重複部を極力減少することが望ましい。

また、一対の電極(3)に電圧を印加して冷陰極蛍光放電管を点灯させた際、面光源装置と放電管とを固定する支持部材(11)の温度は、外管(1)及び内管(2)よりも低い。図３に示すように、外管(1)の窪み(1b)に把持部材(11)を取り付けると、把持部材(11)の温度が外管(1)の窪み(1b)を通じて外管(1)と接する内管(2)の窪み(1b)近傍に伝搬する。その結果、内管(2)の窪み(1b)近傍以外に比べて内管(2)の窪み(1b)近傍の壁面温度が低くなり、内管(2)の窪み(1b)近傍の水銀温度が他の領域よりも高くなる。従って、窪み(1b)を電極(3)から離間させることにより、電極(3)近傍の水銀を抑制して、近傍の水銀アマルガム化を抑制し、冷陰極蛍光放電管の長寿命化が可能となる。因みに、内管(2)と外管(1)の位置は、内管(2)の端部(2d)から最も近い連結部(6)までの長さを内管(2)の長手方向の長さの１／８以上且つ１／２未満離間することが望ましく、好ましくは１／４以上且つ１／２未満とし、外管(1)の端部から最も近い連結部(6)の中央までの長さを外管(1)の長手方向の長さの１／１０以上離間することが望ましい。

また、外管(1)の端部から最も近い連結部(6)の長さを外管(1)の長手方向の長さの１／２以下、好ましくは１／２未満とすることが望ましい。複数の冷陰極蛍光放電管の連結部(6)に図３に示す把持部材(11)を冷陰極蛍光放電管の中心（外管(1)の長手方向の寸法を１／２とした箇所）から外して取り付けることにより、隣り合う冷陰極蛍光放電管を左右逆にして互い違い設置することによって、同一形状の冷陰極蛍光放電管を使用する場合でも、面光源装置全体で見て、把持部材(11)の位置をジグザグに配置することができる。従って、把持部材(11)で影となり、面光源装置の液晶画面に縞が発生することを抑制し、液晶画面の輝度ムラを良好に制御する利点がある。

ガラス製の外管(1)は、窪み(1b)を除き略全体的に閉鎖空間(4)を形成する円断面で筒状に形成されるが、外管(1)における窪み(1b)の断面（外管(1)における窪み(1b)で切断した断面）は、円断面を潰した略楕円断面に形成される。ガラス製の内管(2)における窪み(1b)の断面（内管(2)における窪み(1b)で切断した断面）は、外管(1)に包含され且つ外管(1)の円断面を潰した箇所と接する部分を有する円断面に形成される。別法として、全体に円筒状に内管(2)を形成し、全体に楕円断面の筒状に外管(1)を形成してもよい。閉鎖空間(4)内の放電性ガスは、冷陰極蛍光放電管内を良好に循環して冷陰極蛍光放電管の寿命を保つことが可能となる。なお、本明細書において断面とは、一対の電極(3)を結ぶ中心軸(7)に直角な平面で切断した断面をいう。

本発明の冷陰極蛍光放電管の製法を示す図５について説明すると、図５(1)に示すように、まず、焼成され且つ内周面に蛍光体を塗布した内管(102)を外管(101)内に挿入する。次に、図５(2)に示すように、ガラス製の外管(101)の一部をバーナ(103)で加熱し溶融させて、外管(101)の複数の箇所を把持し、外管(101)を内管(102)に溶着させる。これにより、外管(101)は、内管(102)により所定の位置に保持される。次に、図５(3)に示すように、リード(3a)にガラスビーズ(3c)を装着した一方の電極(3)の放電部(3b)を外管(101)の両端に配置して、ガラスビーズ(3c)を外管(101)及びリード(3a)に融着する。続いて、外管(101)の他方の端部から水銀ゲッターを挿入して、排気すると共に、従来と同様に、外管(101)の内部に放電性ガスを充填した後、ガラスビーズ(3c)を有する電極(3)を外管(101)の他方の端部に配置して、ガラスビーズ(3c)を外管(101)及びリード(3a)に融着する。

また、外管(1)の断面形状は、内管(2)の外周面と外管(1)の内周面とを全周融着しても良い。また、外管(1)の一部を外管(1)の中心軸(7)方向に押し潰して形成される窪み(1b)が、内壁(2)の外周面(2b)に接続し又は融着されて保持され、図２に示すように、外管(1)の一部が平面状にカットされ、外管(1)の内径の小さい窪み(1b)で内管(2)に融着若しくは密着又は接続して内管(2)を保持することが望ましい。

図１のように、窪み(1b)は、２箇所に限定されない。図４は、本発明の第２の実施の形態による冷陰極蛍光放電管の断面図を示す。図４に示すように、外管(1)では、中心軸(7)方向に３箇所の窪み(1b)を形成し、真ん中の窪み(1b)のみを把持部材(11)により図示しない面光源装置に冷陰極蛍光放電管(20)を固定してもよい。また、真ん中の窪み(1b)でのみ融着若しくは密着し又は接続し、それ以外の窪み(1b)は、必ずしも融着若しくは密着又は接続しなくてもよく、通常接しない方が望ましい。

本発明の前記冷陰極蛍光放電管の実施の形態は、種々の変更が可能である。例えば、連結部(6)として窪み(1b)を形成する例を示したが、窪み(1b)を設けずに、内管(2)にガラスリングを嵌合して、外管(1)の内周面(1a)と内管(2)の外周面(2b)との間にガラスリングを加熱により融着して、外管(1)内に内管(2)を所定の位置に保持してもよい。また、内管(2)の端部に電子が流入し易いように、ラッパ状に外側に内径を拡大させてもよい。内管(2)を単一形状でなく、複数の内管(2)を直列に配置してもよい。

高輝度で発光しかつ長寿命を有する本発明の冷陰極蛍光放電管は、液晶テレビや液晶ディスプレイ等の面光源装置に組み込むことができる。

破断線により短縮して示す本発明による冷陰極蛍光放電管の断面図 本発明の冷陰極蛍光放電管の中心軸に対して直角であって窪みを含む平面に沿う断面図 連結部に支持部材を取り付けた図２の部分断面図 本発明の冷陰極蛍光放電管の第２の実施の形態 本発明の冷陰極蛍光放電管の製造方法を示す工程図 従来の冷陰極蛍光放電管の断面斜視図

符号の説明

(1)・・外管、 (1a)・・外管の内周面、 (1b)・・窪み、 (2)・・内管、 (2a)・・内管の内周面、 (2b)・・内管の外周面、 (2c)・・内管の空洞部、 (2d)・・内管の端部、 (3)・・電極、 (3a)・・リード、 (3b)・・放電部、 (3d)・・先端、 (3e)・・側壁、 (3f)・・フランジ、 (4)・・閉鎖空間、 (5)・・蛍光膜、 (6)・・連結部、 (7)・・中心軸、 (8)・・間隙、 (11)・・把持部材、 (20)・・冷陰極蛍光放電管、

Claims (5)

1. 放電性ガスを封入する閉鎖空間を形成するガラス製の外管と、
   該外管の両端に固定される一対の電極と、
   前記閉鎖空間内に配置され且つ一対の端部を通じて前記閉鎖空間に連絡する空洞部を形成するガラス製の内管とを備え、
   前記電極の放電部の外径は、前記内管の内径よりも大きく、前記電極の先端と前記内管の端部との距離は、３〜５mmの範囲内であることを特徴とする冷陰極蛍光放電管。
2. 前記外管は、前記内管に密着又は融着する窪みを有し、
   冷陰極蛍光放電管を固定する把持部材を前記窪みに設けた請求項１に記載の冷陰極蛍光放電管。
3. 一対の前記電極を結ぶ中心軸に対して直角な平面に沿う断面において、前記内管の外側で且つ前記外管の内側に、前記外管と前記内管とが密着若しくは融着又は接続する箇所の両側に間隙を形成した請求項１又は２に記載の冷陰極蛍光放電管。
4. 前記内管の端部から前記外管と前記内管とが密着若しくは融着又は接続する箇所の中央部までの長さは、少なくとも内管の長手方向の長さの１／８以上であって１／２未満離れた請求項１〜３の何れか１項に記載の冷陰極蛍光放電管。
5. 前記内管の端部から前記外管と前記内管とが密着若しくは融着又は接続する箇所に冷陰極蛍光放電管を設置する面光源装置との把持部材を取り付ける請求項１〜４の何れか１項に記載の冷陰極蛍光放電管。

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