JP5342627B2 - 照明用冷陰極蛍光ランプ - Google Patents

Description

本発明は、照明用として使用し得る冷陰極蛍光ランプに関するものであり、更に詳しくは、従来のＬＣＤディスプレイのバックライト、ファクシミリなどの判読光源、コピー機のイレーザーのみとして使用されてきた冷陰極蛍光ランプの管電流（ｔｕｂｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）、光効率、輝度及び寿命を改善し、照明として使用できるようにした照明用高効率長寿命冷陰極蛍光ランプ（ＨＣＬ：Ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｌｏｎｇ ｌｉｆｅ Ｃｏｌｄ ｃａｔｈｏｄｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ）に関する。

従来、冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ：Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ）は、４〜５ｍＡの管電流のみでも必要な輝度を得るＬＣＤディスプレイのバックライト、ファクシミリなどの判読光源、コピー機のイレーザーなどの光源として使用されてきた。このような目的で使用される冷陰極蛍光ランプは、カップ状電極がガラス管の両端に備えられ、ガラス管の内壁には蛍光物質によって蛍光層が形成される。また、ガラス管内には、ネオン、アルゴン、キセノンなどの希ガスの外、微量の水銀が封入される。ガラス管両端のカップ状電極に高電圧が印加されると、ガラス管内に存在する数少ない電子が封入された希ガスをイオン化させ、イオン化された希ガスがカップ状電極にぶつかるとカップ状電極から２次電子が放出され（これをグロー放電という）、放出された２次電子が水銀にぶつかると水銀から紫外線が放射され、水銀から放射された紫外線がガラス管の内壁に形成された蛍光層に照射されると、蛍光物質が可視光線を放出する。上述したように、この際ガラス管内部の管電流は４〜５ｍＡ前後である。しかし、冷陰極蛍光ラップから照明用として使われる程度の照度を得るためには、管電流を１０ｍＡ以上流してあげなければならない。

従来、冷陰極蛍光ランプの電極は、電子放出を確保するためにカップ（ｃｕｐ）状に形成し、内面積を広げることに重点が置かれていた。また、電極素材としては、ニッケル（Ｎｉ）が主に使用されていた。ニッケルは相対的に溶融点が低く、成形性が良いためカップ状に成形しやすいためである。しかし、ニッケルやニッケル合金は仕事関数が高く、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｔｎｇ）係数が大きいという短所がある。スパッタリングへの耐性を高めるために、ニオブ（Ｎｂ）やイットリウム（Ｙ）合金で成形したニッケル合金のカップ状電極が使用されることもあるが、ニッケル合金素材電極を使用する場合でも、管電流を１０ｍＡに上げるとスパッタリングが激しく起こって寿命が非常に短くなる。スパッタリングは電極から過剰に熱が発生されるようにして光速効率を著しく落とし、ガラス管の内壁にスパッタ膜を形成して照明に必要な照度を得にくくする。従って、ニッケル又はニッケル合金素材電極は、管電流が５ｍＡ以上である冷陰極蛍光ランプには不適合であり、カップ状のニッケル電極又はカップ状のニッケル合金電極を使用しては、照明用冷陰極蛍光ランプを実現することは困難である。

それだけでなく、従来は電極の面積を広げることに重点が置かれていたため、電極の大きさが大きくなりすぎるという短所もあった。電極の大きさが大きくなりすぎるとガラス管内で電極が占める面積が多くなり、陽光柱部分が減って光速効率が落ちてエネルギの消費が多くなる。このため、このような点も冷陰極蛍光ランプを一般照明として使用することを不適合にした理由の一つであった。

本発明は、冷陰極蛍光ランプを一般照明として使用するに当たって発生する上述した問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする第１課題は、スパッタリング係数と仕事関数が低いタングステンやタングステン合金で冷陰極電極を形成しながらも、カップ状に容易に形成し得る照明用冷陰極蛍光ランプを提供することにある。
本発明が解決しようとする第２課題は、電極の長さを最小化しながらも高輝度を出すことができる照明用冷陰極蛍光ランプを提供することにある。

上述した本発明の第１課題及び第２課題は、照明用冷陰極蛍光ランプの冷陰極電極を、電源を引き入れるリード線の先端に結合されたベースメタルと、タングステン又はタングステン合金線材をカップの本体形状に沿って螺旋（ｈｅｌｉｃａｌ）構造に巻き取って形成し、前記ベースメタルに前記ガラス管の長さ方向に起立するように連結した線材螺旋起立体と、前記線材螺旋起立体の内部に挿入され、表面にはエミッタが塗布されて電子放出を誘導するエミッタコーティングコイルと、を含んで構成することで解決される。

また、前記リード線は、２つの前記リード線が前記ベースメタルで電気的に短絡されるように連結されてよい。

また、前記エミッタコーティングコイルは、前記線材螺旋起立体より薄いタングステン又はタングステン合金細線で成形された後、細線の表面に酸化セシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウムカルシウム、酸化イットリウム、又は酸化マグネシウムのうちから選択された一つ又は２つ以上のエミッタがコーティングされてよい。

また、前記エミッタコーティングコイルを前記線材螺旋起立体より薄いタングステン細線を利用して細線コイルを形成した後、前記細線コイルを再び螺旋状に巻いて形成した細線コイルの螺旋構造を形成し、前記細線コイルの表面に酸化セシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウムカルシウム、酸化イットリウム、又は酸化マグネシウムのうちから選択された一つ又は２つ以上のエミッタをコーティングしてもよい。

上述した構成を有する本発明によると、タングステン又はタングステン合金の２重コイル構造を有することで、管電流が１０ｍＡ以上である場合でもスパッタリングへの耐性を維持しながら低い仕事関数で高輝度の発光ができ、電極の長さを最小化しながらも充分な電子放出が可能で、ベースメタルをリード線と線材螺旋起立体との間に備えることで一般的な熱陰極蛍光ランプのソケットにも挿脱することができる２線のリード線の形成が容易で、内部コイルとしてエミッタコーティングコイルを使用して２次電子の放出が低い電圧で行われることができ、これによって放電維持電圧を最小化することで電極寿命を延ばすことができる。

本発明の一実施形態に係るエミッタコーティングコイルの斜視図である。 同実施形態に係る冷陰極電極の分離斜視図である。 同実施形態に係る冷陰極電極の結合斜視図である。 同実施形態に係る冷陰極電極をガラス管に挿入して密封した状態を示す部分省略斜視図である。 同実施形態に係る照明用冷陰極蛍光ランプの部分切断断面図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の具体的な実施例を詳細に説明する。

まず、図４及び図５を参照すると分かるように、本発明は、蛍光層が内壁に形成されたガラス管の両端に、低いスパッタリング係数、低い始動電圧及び低い放電維持電圧で電子を大量に放出する冷陰極電極を備え、冷陰極蛍光ランプを照明用に使用できるようにしたものである。

本発明による照明用冷陰極蛍光ランプは、蛍光物質による蛍光層が内壁に形成されたガラス管１７と、ガラス管１７の両端に互いに向かい合うように配置された一対の冷陰極電極１を含む。両端の冷陰極電極１には高電圧が交替に印加され、電極から電子が放出される。本発明の特徴は、この冷陰極電極１を改善して、スパッタリングへの耐性を大きくし、低い放電起動電圧及び放電維持電圧で照明に必要な管電流（１０ｍＡ以上）を達成できる大量の電子放出を誘導することで、冷陰極蛍光ランプを照明用に使用できるようにした点にある。

図１を参照して、本発明の最も大きい特徴であるエミッタコーティングコイルを説明すると、以下のようである。

図１に示したように、本発明によるエミッタコーティングコイル２１は、粉末状態のエミッタ５を塗布するのに容易な構造を有するだけでなく、長時間エミッタ５が離脱しないように保有することができる構造を有する。即ち、本発明によるエミッタコーティングコイル２１の最も好ましい実施例は、図１に示したように、エミッタコーティングコイルの外部に備えられる線材螺旋起立体（図２の符号３）より薄いタングステン細線（直径０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍが最も理想的である）を利用して細線コイル１９を形成した後、前記細線コイル１９を再び螺旋状に巻いて、細線コイル１９の螺旋構造に形成したものである。前記エミッタとしては、粉末状態の酸化セシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウムカルシウム、酸化イットリウム、又は酸化マグネシウムのうちから一つ又は２つ以上を選択して使用する。

本発明は、電子放出を容易にするために仕事関数が最も低い材料をエミッタ（ｅｍｉｔｔｅｒ）の素材としたものである。仕事関数が低いほど電子を放出しやすく、これは放電されやすいということを意味する。エミッタの塗布を円滑にするため、炭素ナノチューブを使用してもよい。この際、適正量の水とイソプロピルアルコールに炭素ナノチューブを分散し、界面活性剤であるナトリウムドデシルベンゼンスルホネートで分散を促進して、塗布剤として使用する。エミッタコーティングコイル２１をこのように構成する場合、エミッタコーティングコイル全体の線材の長さを長くして狭い空間で低電圧で１０ｍＡ以上の電子放出が行われるようにすることができるだけでなく、エミッタの塗布の際、細線コイル１９の緊密に積層された薄い巻線の間の隙にエミッタが細かく塗布されるためエミッタ５の塗布が非常に容易であり、エミッタの塗布の後、長時間塗布されたエミッタ５の離脱がなくなるため電極の寿命が延長される。

前記エミッタコーティングコイルは、予め細線コイル１９を形成せず、前記線材螺旋起立体より薄いタングステン又はタングステン合金の直線細線（直径０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍが最も理想的である）を巻き取って成形してもよい。この場合でも、細線の表面に酸化セシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウムカルシウム、酸化イットリウム、又は酸化マグネシウムのうちから選択された一つ又は２つ以上のエミッタをコーティングする。しかし、このような方法でエミッタをコーティングする場合、細線コイル１９を利用するときより塗布が難しく、エミッタコーティングの維持時間も短縮される恐れがある。

図２及び図３を参照すると分かるように、本発明の他の特徴は、線材螺旋起立体３を具備することにある。線材螺旋起立体３は、タングステン又はタングステン合金線材（直径０．２ｍｍ〜０．５ｍｍが適当である）をカップの本体形状に沿って螺旋構造に巻き取って形成し、ベースメタル７に前記ガラス管の長さ方向で起立するように連結する。本発明による冷陰極電極１は、電源を引き入れるリード線９ａ，９ｂの先端にベースメタル７を結合する。前記リード線９ａ，９ｂとしては、ジュメット線又はコバール線を使用する。リード線９ａ，９ｂは、ベースメタル７に対して垂直方向に進行する。線材螺旋起立体３は、前記ベースメタル７で前記リード線９ａ，９ｂと反対方向に起立する。本発明は２つのリード線を使用して一般蛍光ランプのソケットにも使用できるようにするため、前記ベースメタル７には特別な意味がある。前記ベースメタル７は、線材螺旋起立体を両端から固く固定してガラス管の方向に起立させるだけでなく、２線のリード線（ジュメット線又はコバール線）が前記線材螺旋起立体３に容易に連結されるようにする。従って、前記ベースメタルとしては、前記線材螺旋起立体３及びリード線（ジュメット線又はコバール線）全てに溶接が可能な素材を使用しなければならない。前記ベースメタル７は、棒状又はビード状で形成されてもよい。ベースメタル７の素材としてタングステン又はタングステン合金を使用する場合、その溶融点が高いため、タングステン又はタングステン合金で成形した線材螺旋起立体３に溶接することができない。従って、前記ベースメタル７の素材としては、ニッケルやニッケル合金であることが好ましい。前記線材螺旋起立体３は前記ベースメタル７の一面にスポット溶接などで結合され、互いに電気的に導通される。前記リード線９ａ，９ｂは２つを連結し、前記ベースメタルで電気的に互いに短絡されるように連結する。前記リード線９ａ，９ｂは前記線材螺旋起立体３と反対方向に進行し、外部電源と連結される。

図２で示したように、前記線材螺旋起立体３を形成する線材の両端は全て前記ベースメタル７に向かうように引き出され、そのうち線材螺旋起立体３の上端から引き出される線材は線材螺旋起立体３の内部を通過するように引き出され、ここに前記エミッタコーティングコイル２１が挿入されるように設置されることが好ましい。こうする場合、前記エミッタコーティングコイル２１が前記線材螺旋起立体３から離脱しなくなる。前記エミッタコーティングコイル２１の終端は前記ベースメタル７に溶接されてもよいが、溶接されなくても構わない。図２又は図３には、前記線材螺旋起立体３の内部に一つのエミッタコーティングコイル２１が内臓されていることを示しているが、エミッタコーティングコイルの内部に更に他のエミッタコーティングコイルを更に内臓してもよく、２つ以上のエミッタコーティングコイル２１を積み重ねず、隣接して内蔵してもよい。こうすることによって、電極の長さを長くしなくても低電圧で電子放出量を伸ばすことができるため、陽光柱を犠牲せず照明に適合した高輝度を出すことができるという効果がある。

図３及び図４に示したように、前記リード線９ａ，９ｂは、ガラスステム１１にガラスビーディングされ、前記ガラスステム１１によってガラス管１７に結合される。ガラスビーディングは、ガラスステム１１の内部に前記冷陰極電極１のリード線９ａ，９ｂとガラス注入管１５を挿入した後、ガラスステム１１の上端部のガラスを溶かしてくっつける方法で行われ、接合された部分にはガラスビードが残る。こうすることで、ガラス管１７と冷陰極電極１のリード線９ａ，９ｂとの間におけるシーリングが楽に行われる。

本発明は、タングステンやタングステン合金は塑性加工が難しくて成形性が大きく落ちるためカップ状電極に成形することは難しいが、引き抜いて線材にした後、これをコイル状に加工することは容易である点と、こうして作られた直径が異なるコイルを内部に多層に積層する場合、スパッタリング係数と仕事関数が低いカップ状電極を形成することができるという点に着眼したものである。

このように本発明によると、前記線材螺旋起立体３をスパッタリング係数と仕事関数が低いタングステン又はタングステン合金で成形することで蛍光ランプの寿命を増大させることができ、低い始動電圧で初期放電を誘導することができる。また、前記線材螺旋起立体３の内部にエミッタコーティングコイルを設置することによって、正常状態で低い電圧で照明に必要な量（１０ｍＡ以上）の放電（電子放出）を維持することができる。

図４及び図５を参照すると分かるように、冷陰極蛍光ランプは電極１の両端に電圧を交替に印加すると電極から電界による電子放出が行われるが、この電子放出は熱によってではなく電界によって行われるため、熱は必要としない。最初はガラス管１７の内部に残っている少量の電子が電極に衝突して電極から電子の放出が始められ、電子が一旦放出され始めると、放出された電子が再び電極に衝突し、続けて放電されるのである。この放電によって両端に引かれる電子とガラス管に存在する水銀が衝突して紫外線が放射され、この紫外線がガラス管１７の蛍光層を光励起してガラス管１７の蛍光層が可視光線を発光する。従って、高輝度と超寿命を同時に満足させるためには、本発明のように電子放出が楽に行われるべきである。本発明では電極素材を仕事関数に比べ融点が最も高いタングステン（Ｗ）にしており、タングステンの塑性加工の難しさを考慮して、線材（ｗｉｒｅ）として引き抜けて螺旋状に巻き取ったものを使用している。巻き取られたコイルは、表面全体から電子放出が行われる。従って、タングステン（Ｗ）を螺旋状に成形しながら、図面のようにコイルの直径を充分大きくして各巻線の間を密着させる場合、その内部にエミッタコーティングコイルを内蔵し得る場合電子放出面積がカップ状電極でより大きい。照明用に使用するランプ内の電子が電極に衝突するときのエネルギは１０ｅＶ以上でエネルギが非常に大きいため、照明用冷陰極蛍光ランプを具現するためには電極の素材をタングステン（Ｗ）にし、電子放出面積を広げるためにその形態を螺旋状にすることが最も好ましい。しかし、タングステンを螺旋状に巻き取ることだけでは放電維持電圧が高く、放電量も大きくないため、照明用としては使用しにくい。しかし、本発明のようにタングステン又はタングステン合金素材の線材螺旋起立体の内部にエミッタが塗布されたエミッタコーティングコイルを挿入する場合、放電維持電圧を低くしながらも、照明に必要な１０ｍＡ以上の管電流を容易に達成できるのである。

ここで開示された技術は、冷陰極蛍光ランプを一般照明として使用するに当たって発生する上述した問題点を解決するためのものであり、ここで解決しようとする第１課題は、スパッタリング係数と仕事関数が低いタングステンやタングステン合金で冷陰極電極を形成しながらも、カップ状に容易に形成し得る照明用冷陰極蛍光ランプを提供することにある。

また第２課題は、電極の長さを最小化しながらも高輝度を出すことができる照明用冷陰極蛍光ランプを提供することにある。

上述した第１課題及び第２課題は、照明用冷陰極蛍光ランプの冷陰極電極を、電源を引き入れるリード線の先端に結合されたベースメタルと、タングステン又はタングステン合金線材をカップの本体形状に沿って螺旋（ｈｅｌｉｃａｌ）構造に巻き取って形成し、前記ベースメタルに前記ガラス管の長さ方向に起立するように連結した線材螺旋起立体と、前記線材螺旋起立体の内部に挿入され、表面にはエミッタが塗布されて電子放出を誘導するエミッタコーティングコイルと、を含んで構成することで解決される。

また第３課題は、一般的な熱陰極蛍光ランプのソケットに挿脱できる２線のリード線の設置が容易な構造の照明用冷陰極蛍光ランプを提供することにある。

上述した第３課題は、前記リード線は、２つの前記リード線が前記ベースメタルで電気的に短絡されるように連結することで解決される。

また第４課題は、放電維持電圧を最小化して電極の寿命を延長することができる照明用冷陰極蛍光ランプを提供することにある。

上述した第４課題は、前記エミッタコーティングコイルを前記線材螺旋起立体より薄いタングステン又はタングステン合金細線で成形した後、細線の表面に酸化セシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウムカルシウム、酸化イットリウム、又は酸化マグネシウムのうちから選択された一つ又は２つ以上のエミッタをコーティングすることで解決される。

また第５課題は、エミッタのコーティング及びホールディングが容易な照明用冷陰極蛍光ランプを提供することにある。

上述した第５課題は、前記エミッタコーティングコイルを前記線材螺旋起立体より薄いタングステン細線を利用して細線コイルを形成した後、前記細線コイルを再び螺旋状に巻いて形成した細線コイルの螺旋構造を形成し、その表面にエミッタをコーティングすることで解決される。このとき、エミッタは、酸化セシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウムカルシウム、酸化イットリウム、又は酸化マグネシウムのうちから選択された一つ又は２つ以上のエミッタが用いられてよい。

１：冷陰極電極 ３：線材螺旋起立体
５：エミッタ ７：ベースメタル
９ａ，９ｂ：リード線 １１：ガラスステム
１２：リード線ガラスステム組立体 １３：ガラスビード
１５：ガス注入管 １７：ガラス管
１９：細線コイル ２１：エミッタコーティングコイル
２３：キャップ ２５：絶縁体

Claims (3)

1. 蛍光層が内壁に形成されたガラス管の両端に電子を放出する冷陰極電極が備えられた冷陰極蛍光ランプにおいて、
   前記冷陰極電極は、
   電源を引き入れるリード線の先端に結合されたベースメタルと、
   タングステン又はタングステン合金線材をカップ状に螺旋構造に巻き取って形成し、前記ベースメタルに前記ガラス管の長さ方向に起立するように連結した線材螺旋起立体と、
   前記線材螺旋起立体の内部に挿入され、表面にはエミッタが塗布されて電子放出を誘導するエミッタコーティングコイルと、
   を有し、
   前記線材螺旋起立体を形成する線材の両端は、前記ベースメタルに向かうように引き出され、
   そのうち前記線材螺旋起立体の上端から引き出される線材は、前記線材螺旋起立体の内部を通過するように引き出され、ここに前記エミッタコーティングコイルが挿入されるように設置されることを特徴とする照明用冷陰極蛍光ランプ。
2. 前記リード線は、２つの前記リード線が、前記ベースメタルで電気的に互いに短絡されるように連結されることを特徴とする請求項１に記載の照明用冷陰極蛍光ランプ。
3. 前記エミッタコーティングコイルは、前記線材螺旋起立体より薄いタングステン細線を利用して細線コイルを形成した後、前記細線コイルを再び螺旋状に巻いて形成した細線コイルの螺旋構造を形成し、前記細線コイルの表面に酸化セシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウムカルシウム、酸化イットリウム、又は酸化マグネシウムのうちから選択された一つ又は２つ以上のエミッタをコーティングすることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明用冷陰極蛍光ランプ。